Digestão anaeróbica - Anaerobic digestion

Sistema digestor anaeróbico
Sistema digestor anaeróbico na Alemanha

A digestão anaeróbia é uma sequência de processos pelos quais os microrganismos quebram o material biodegradável na ausência de oxigênio . O processo é usado para fins industriais ou domésticos para gerenciar resíduos ou para produzir combustíveis. Grande parte da fermentação usada industrialmente para produzir alimentos e bebidas, bem como a fermentação doméstica, usa digestão anaeróbica.

A digestão anaeróbia ocorre naturalmente em alguns solos e em sedimentos lacustres e de bacias oceânicas , onde é normalmente referida como "atividade anaeróbia". Esta é a fonte do gás metano do pântano , descoberta por Alessandro Volta em 1776.

O processo de digestão começa com a hidrólise bacteriana dos materiais de entrada. Polímeros orgânicos insolúveis , como carboidratos , são quebrados em derivados solúveis que se tornam disponíveis para outras bactérias. As bactérias acidogênicas então convertem os açúcares e aminoácidos em dióxido de carbono, hidrogênio , amônia e ácidos orgânicos . Na acetogênese, as bactérias convertem esses ácidos orgânicos resultantes em ácido acético , junto com amônia, hidrogênio e dióxido de carbono adicionais, entre outros compostos. Finalmente, os metanógenos convertem esses produtos em metano e dióxido de carbono. As populações de arquéias metanogênicas desempenham um papel indispensável no tratamento anaeróbio de águas residuárias.

A digestão anaeróbica é usada como parte do processo para tratar resíduos biodegradáveis ​​e lodo de esgoto . Como parte de um sistema integrado de gerenciamento de resíduos , a digestão anaeróbia reduz a emissão de gases de aterro sanitário na atmosfera. Os digestores anaeróbicos também podem ser alimentados com culturas energéticas cultivadas para esse fim, como o milho .

A digestão anaeróbica é amplamente utilizada como fonte de energia renovável . O processo produz um biogás , consistindo de metano , dióxido de carbono e vestígios de outros gases 'contaminantes'. Este biogás pode ser usado diretamente como combustível, em motores combinados de calor e energia ou atualizado para biometano com qualidade de gás natural . O digerido rico em nutrientes também produzido pode ser usado como fertilizante .

Com a reutilização de resíduos como recurso e novas abordagens tecnológicas que reduziram os custos de capital , a digestão anaeróbia tem recebido, nos últimos anos, maior atenção entre os governos de vários países, entre eles o Reino Unido (2011), Alemanha, Dinamarca ( 2011) e nos Estados Unidos.

Processo

Muitos microrganismos afetam a digestão anaeróbica, incluindo bactérias formadoras de ácido acético ( acetogênios ) e arquéias formadoras de metano ( metanogênios ). Esses organismos promovem uma série de processos químicos na conversão da biomassa em biogás .

O oxigênio gasoso é excluído das reações por contenção física. Os anaeróbios utilizam aceitadores de elétrons de outras fontes além do gás oxigênio. Esses aceitadores podem ser o próprio material orgânico ou podem ser fornecidos por óxidos inorgânicos de dentro do material de entrada. Quando a fonte de oxigênio em um sistema anaeróbio é derivada do próprio material orgânico, os produtos finais "intermediários" são principalmente álcoois , aldeídos e ácidos orgânicos, além de dióxido de carbono. Na presença de metanógenos especializados, os intermediários são convertidos nos produtos finais 'finais' de metano, dióxido de carbono e níveis residuais de sulfeto de hidrogênio . Em um sistema anaeróbico, a maior parte da energia química contida no material de partida é liberada por bactérias metanogênicas como metano.

Populações de microrganismos anaeróbios normalmente levam um período significativo de tempo para se estabelecerem e serem totalmente eficazes. Portanto, a prática comum é a introdução de microrganismos anaeróbios de materiais com populações existentes, um processo conhecido como "semeadura" dos digestores, normalmente realizado com a adição de lodo de esgoto ou de gado.

Estágios do processo

Os quatro estágios principais da digestão anaeróbia envolvem hidrólise , acidogênese , acetogênese e metanogênese . O processo geral pode ser descrito pela reação química, onde o material orgânico, como a glicose, é digerido bioquimicamente em dióxido de carbono (CO 2 ) e metano (CH 4 ) pelos microrganismos anaeróbios.

C 6 H 12 O 6 → 3CO 2 + 3CH 4

  • Hidrólise

Na maioria dos casos, a biomassa é composta de grandes polímeros orgânicos. Para que as bactérias em digestores anaeróbicos acessem o potencial de energia do material, essas cadeias devem primeiro ser quebradas em suas partes constituintes menores. Essas partes constituintes, ou monômeros, como açúcares, estão prontamente disponíveis para outras bactérias. O processo de quebrar essas cadeias e dissolver as moléculas menores em solução é chamado de hidrólise. Portanto, a hidrólise desses componentes poliméricos de alto peso molecular é a primeira etapa necessária na digestão anaeróbia. Por meio da hidrólise, as moléculas orgânicas complexas são decompostas em açúcares simples , aminoácidos e ácidos graxos .

O acetato e o hidrogênio produzidos nos primeiros estágios podem ser usados ​​diretamente pelos metanógenos. Outras moléculas, como ácidos graxos voláteis (AGV) com um comprimento de cadeia maior que o do acetato, devem primeiro ser catabolisadas em compostos que podem ser usados ​​diretamente pelos metanógenos.

  • Acidogênese

O processo biológico de acidogênese resulta em uma quebra adicional dos componentes restantes por bactérias acidogênicas (fermentativas). Aqui, os AGVs são criados, junto com a amônia, o dióxido de carbono e o sulfeto de hidrogênio , bem como outros subprodutos. O processo de acidogênese é semelhante à forma como o leite azeda .

  • Acetogênese

O terceiro estágio da digestão anaeróbia é a acetogênese . Aqui, moléculas simples criadas através da fase de acidogênese são posteriormente digeridas por acetogênios para produzir ácido acético, bem como dióxido de carbono e hidrogênio.

  • Metanogênese

O estágio terminal da digestão anaeróbia é o processo biológico de metanogênese . Aqui, os metanógenos usam os produtos intermediários dos estágios anteriores e os convertem em metano, dióxido de carbono e água. Esses componentes constituem a maior parte do biogás emitido do sistema. A metanogênese é sensível a pHs altos e baixos e ocorre entre pH 6,5 e pH 8. O material restante, indigestível, os micróbios não podem usar e quaisquer restos de bactérias mortas constituem o digerido.

Configuração

Comparação de tecnologias comuns de biogás
Comparação de tecnologias comuns de biogás

Os digestores anaeróbios podem ser projetados e projetados para operar usando uma série de configurações diferentes e podem ser categorizados em modo de processo em lote vs. contínuo, condições de temperatura mesofílica vs. termofílica , porção alta vs. baixa de sólidos e processos de estágio único vs. multiestágios. O processo contínuo requer um design mais complexo, mas ainda assim pode ser mais econômico do que o processo em lote, porque o processo em lote requer mais dinheiro de construção inicial e um volume maior de digestores (espalhados por vários lotes) para lidar com a mesma quantidade de resíduos que um processo contínuo digestor de processo. Maior energia térmica é necessária em um sistema termofílico em comparação com um sistema mesofílico, mas o sistema termofílico requer muito menos tempo e tem uma maior capacidade de saída de gás e maior conteúdo de gás metano, então é preciso considerar essa compensação com cuidado. Para conteúdo de sólidos, baixo irá lidar com até 15% de conteúdo de sólidos. Acima desse nível é considerado alto teor de sólidos e também pode ser conhecido como digestão seca. Em um processo de estágio único, um reator abriga as quatro etapas de digestão anaeróbia. Um processo de múltiplos estágios utiliza dois ou mais reatores para digestão para separar as fases de metanogênese e hidrólise.

Lote ou contínuo

A digestão anaeróbica pode ser realizada como um processo em lote ou um processo contínuo. Em um sistema em lote, a biomassa é adicionada ao reator no início do processo. O reator é então selado durante o processo. Em sua forma mais simples, o processamento em lote precisa da inoculação com material já processado para iniciar a digestão anaeróbia. Em um cenário típico, a produção de biogás será formada com um padrão de distribuição normal ao longo do tempo. Os operadores podem usar esse fato para determinar quando acreditam que o processo de digestão da matéria orgânica foi concluído. Pode haver graves problemas de odor se um reator em lote for aberto e esvaziado antes que o processo seja bem concluído. Um tipo mais avançado de abordagem de lote limitou os problemas de odor, integrando a digestão anaeróbica com a compostagem em vaso . Nesta abordagem a inoculação ocorre através do uso de percolado desgaseificado recirculado. Depois que a digestão anaeróbica foi concluída, a biomassa é mantida no reator que é então usada para compostagem em vaso antes de ser aberta. Como a digestão do lote é simples e requer menos equipamento e níveis mais baixos de trabalho de design, é normalmente uma forma mais barata de digestão. Usar mais de um reator de batelada em uma planta pode garantir a produção constante de biogás.

Em processos de digestão contínua, a matéria orgânica é constantemente adicionada (mistura completa contínua) ou adicionada em estágios ao reator (fluxo em pistão contínuo; primeiro a entrar - primeiro a sair). Aqui, os produtos finais são removidos constante ou periodicamente, resultando na produção constante de biogás. Podem ser usados ​​digestores únicos ou múltiplos em sequência. Exemplos dessa forma de digestão anaeróbica incluem reatores de tanque agitado contínuo , mantas de lodo anaeróbicas de fluxo ascendente , leitos de lodo granulares expandidos e reatores de circulação interna .

Temperatura

Os dois níveis convencionais de temperatura operacional para digestores anaeróbicos determinam as espécies de metanógenos nos digestores:

  • A digestão mesofílica ocorre de maneira ideal em torno de 30 a 38 ° C, ou em temperaturas ambientes entre 20 e 45 ° C, onde os mesófilos são os principais microrganismos presentes.
  • A digestão termofílica ocorre de maneira ideal em torno de 49 a 57 ° C, ou em temperaturas elevadas de até 70 ° C, onde os termófilos são os principais microrganismos presentes.

Um caso limite foi alcançado na Bolívia , com digestão anaeróbia em condições de temperatura de trabalho inferiores a 10 ° C. O processo anaeróbio é muito lento, levando mais de três vezes o tempo mesofílico normal. Em um trabalho experimental na University of Alaska Fairbanks , um digestor de 1.000 litros usando psicrófilos colhidos da "lama de um lago congelado no Alasca" produziu 200-300 litros de metano por dia, cerca de 20 a 30% da produção de digestores em ambientes mais quentes climas. As espécies mesófilas superam os termófilos e também são mais tolerantes a mudanças nas condições ambientais do que os termófilos. Os sistemas mesofílicos são, portanto, considerados mais estáveis ​​do que os sistemas de digestão termofílicos. Em contraste, embora os sistemas de digestão termofílica sejam considerados menos estáveis, seu aporte de energia é maior, com mais biogás sendo removido da matéria orgânica em igual período de tempo. As temperaturas aumentadas facilitam taxas de reação mais rápidas e, portanto, rendimentos de gás mais rápidos. A operação em temperaturas mais altas facilita uma maior redução de patógenos do digerido. Em países onde a legislação, como os Regulamentos de Subprodutos Animais na União Européia, exige que o digestado atenda a certos níveis de redução de patógenos, pode haver um benefício em usar temperaturas termofílicas em vez de mesofílicas.

O pré-tratamento adicional pode ser usado para reduzir o tempo de retenção necessário para produzir biogás. Por exemplo, certos processos trituram os substratos para aumentar a área de superfície ou usam um estágio de pré-tratamento térmico (como pasteurização) para aumentar significativamente a produção de biogás. O processo de pasteurização também pode ser usado para reduzir a concentração patogênica no digestado, saindo do digestor anaeróbico. A pasteurização pode ser conseguida por tratamento térmico combinado com maceração dos sólidos.

Conteúdo sólido

Em um cenário típico, três parâmetros operacionais diferentes estão associados ao conteúdo de sólidos da matéria-prima para os digestores:

  • Altos sólidos (substrato empilhável seco)
  • Altos sólidos (úmido - substrato bombeável)
  • Baixo teor de sólidos (úmido - substrato bombeável)
Projeto de uma planta de biogás de digestão anaeróbia (AD) de estado seco / sólido
Projeto de uma planta de biogás de digestão anaeróbia (AD) de estado seco / sólido

Os digestores de alto teor de sólidos (secos) são projetados para processar materiais com um teor de sólidos entre 25 e 40%. Ao contrário dos digestores úmidos que processam lamas bombeáveis, os digestores de alto teor de sólidos (substrato empilhável a seco) são projetados para processar substratos sólidos sem a adição de água. Os principais estilos de digestores secos são digestores horizontais de fluxo contínuo vertical e túnel de lote. Os digestores de fluxo em pistão verticais contínuos são tanques cilíndricos verticais onde a matéria-prima é continuamente alimentada no topo do digestor e flui para baixo por gravidade durante a digestão. Em digestores de túnel em lote, a matéria-prima é depositada em câmaras semelhantes a um túnel com uma porta à prova de gás. Nenhuma das abordagens tem mistura dentro do digestor. A quantidade de pré-tratamento, como a remoção de contaminantes, depende da natureza dos fluxos de resíduos que estão sendo processados ​​e da qualidade desejada do digerido. A redução de tamanho (trituração) é benéfica em sistemas verticais contínuos, pois acelera a digestão, enquanto os sistemas em lote evitam a trituração e, em vez disso, requerem estrutura (por exemplo, resíduos de jardim) para reduzir a compactação da pilha empilhada. Os digestores secos verticais contínuos ocupam menos espaço devido ao menor tempo de retenção efetivo e ao design vertical. Os digestores úmidos podem ser projetados para operar em um alto conteúdo de sólidos, com uma concentração total de sólidos suspensos (TSS) maior que ~ 20%, ou uma concentração de baixo teor de sólidos menor que ~ 15%.

Os digestores com alto teor de sólidos (úmidos) processam uma lama espessa que requer mais energia para mover e processar a matéria-prima. A espessura do material também pode levar a problemas associados à abrasão. Os digestores com alto teor de sólidos normalmente têm uma necessidade menor de terra devido aos volumes mais baixos associados à umidade. Os digestores de alto teor de sólidos também requerem a correção dos cálculos convencionais de desempenho (por exemplo, produção de gás, tempo de retenção, cinética, etc.) originalmente baseados em conceitos de digestão de esgoto muito diluídos, uma vez que frações maiores da massa da matéria-prima são potencialmente conversíveis em biogás.

Digestores de baixo teor de sólidos (úmidos) podem transportar material através do sistema usando bombas padrão que requerem uma entrada de energia significativamente menor. Os digestores de baixo teor de sólidos requerem uma quantidade maior de terra do que os de alto teor de sólidos devido ao aumento dos volumes associados ao aumento da proporção de líquido para matéria-prima dos digestores. Existem benefícios associados à operação em um ambiente líquido, pois permite uma circulação mais completa dos materiais e o contato entre as bactérias e seus alimentos. Isso permite que as bactérias acessem mais prontamente as substâncias das quais estão se alimentando e aumenta a taxa de produção de gás.

Complexidade

Os sistemas de digestão podem ser configurados com diferentes níveis de complexidade. Em um sistema de digestão de estágio único (um estágio), todas as reações biológicas ocorrem dentro de um único reator selado ou tanque de retenção. Usar um único estágio reduz os custos de construção, mas resulta em menos controle das reações que ocorrem no sistema. Bactérias acidogênicas, através da produção de ácidos, reduzem o pH do tanque. Bactérias metanogênicas, conforme descrito anteriormente, operam em uma faixa de pH estritamente definida. Portanto, as reações biológicas das diferentes espécies em um reator de estágio único podem estar em competição direta entre si. Outro sistema de reação de um estágio é uma lagoa anaeróbica . Essas lagoas são semelhantes a lagoas, bacias de barro usadas para o tratamento e armazenamento de esterco a longo prazo. Aqui, as reações anaeróbicas estão contidas na lama anaeróbica natural contida na piscina.

Em um sistema de digestão de dois estágios (múltiplos estágios), diferentes vasos de digestão são otimizados para trazer o máximo controle sobre as comunidades bacterianas que vivem dentro dos digestores. As bactérias acidogênicas produzem ácidos orgânicos e crescem e se reproduzem mais rapidamente do que as bactérias metanogênicas. Bactérias metanogênicas requerem pH e temperatura estáveis ​​para otimizar seu desempenho.

Em circunstâncias típicas, hidrólise, acetogênese e acidogênese ocorrem dentro do primeiro vaso de reação. O material orgânico é então aquecido até a temperatura operacional necessária (mesofílica ou termofílica) antes de ser bombeado para um reator metanogênico. Os tanques de hidrólise ou acidogênese iniciais antes do reator metanogênico podem fornecer um tampão para a taxa na qual a matéria-prima é adicionada. Alguns países europeus exigem um grau de tratamento térmico elevado para matar bactérias nocivas nos resíduos de entrada. Neste caso, pode haver um estágio de pasteurização ou esterilização antes da digestão ou entre os dois tanques de digestão. Notavelmente, não é possível isolar completamente as diferentes fases da reação, e freqüentemente algum biogás é produzido nos tanques de hidrólise ou acidogênese.

Tempo de residência

O tempo de residência em um digestor varia com a quantidade e tipo de matéria-prima e com a configuração do sistema de digestão. Em uma digestão mesofílica típica de dois estágios, o tempo de residência varia entre 15 e 40 dias, enquanto para uma digestão termofílica de estágio único, o tempo de residência é normalmente mais rápido e leva cerca de 14 dias. A natureza do fluxo em pistão de alguns desses sistemas significará que a degradação total do material pode não ter sido realizada nesta escala de tempo. Nesse caso, o digerido que sai do sistema terá uma cor mais escura e normalmente terá mais odor.

No caso de uma digestão anaeróbica com manta de lodo de fluxo ascendente (UASB), os tempos de residência hidráulica podem ser tão curtos quanto 1 hora a 1 dia, e os tempos de retenção de sólidos podem ser de até 90 dias. Desta forma, um sistema UASB é capaz de separar sólidos e tempos de retenção hidráulica com o uso de uma manta de lodo. Os digestores contínuos possuem dispositivos mecânicos ou hidráulicos, dependendo do nível de sólidos do material, para misturar o conteúdo, permitindo o contato das bactérias com o alimento. Eles também permitem que o excesso de material seja continuamente extraído para manter um volume razoavelmente constante dentro dos tanques de digestão.

Inibição

Esquerda: Digestor de silagem de milho baseado em fazenda localizado próximo a Neumünster na Alemanha, 2007 - o porta-biogás inflável e verde é mostrado no topo do digestor. À direita: Dois estágios, baixo teor de sólidos, componente de digestão UASB de um sistema de tratamento biológico mecânico próximo a Tel Aviv ; a água do processo é vista no tanque de equilíbrio e no reator de batelada de sequenciamento , 2005.

O processo de digestão anaeróbia pode ser inibido por diversos compostos, afetando um ou mais dos grupos bacterianos responsáveis ​​pelas diferentes etapas de degradação da matéria orgânica. O grau de inibição depende, entre outros fatores, da concentração do inibidor no digestor. Os inibidores potenciais são amônia, sulfeto, íons de metais leves (Na, K, Mg, Ca, Al), metais pesados, alguns orgânicos (clorofenóis, alifáticos halogenados, aromáticos N-substituídos, ácidos graxos de cadeia longa), etc.

Matérias-primas

Lagoa anaeróbica e geradores na Cal Poly Dairy, Estados Unidos

A questão inicial mais importante quando se considera a aplicação de sistemas de digestão anaeróbia é a matéria-prima para o processo. Quase qualquer material orgânico pode ser processado com digestão anaeróbica; entretanto, se a produção de biogás é o objetivo, o nível de putrescibilidade é o fator chave para sua aplicação bem-sucedida. Quanto mais putrescível (digerível) for o material, maior será o rendimento de gás possível do sistema.

As matérias-primas podem incluir resíduos biodegradáveis, como resíduos de papel, aparas de grama, restos de comida, esgoto e resíduos animais. Resíduos lenhosos são a exceção, porque eles não são afetados pela digestão, já que a maioria dos anaeróbios são incapazes de degradar a lignina . Anaeróbios xilófagos (consumidores de lignina) ou usando pré-tratamento de alta temperatura, como a pirólise, podem ser usados ​​para quebrar a lignina. Os digestores anaeróbicos também podem ser alimentados com culturas energéticas especialmente cultivadas , como silagem , para a produção de biogás dedicada. Na Alemanha e na Europa continental, essas instalações são chamadas de usinas de "biogás". Uma planta de co-digestão ou cofermentação é tipicamente um digestor anaeróbico agrícola que aceita dois ou mais materiais de entrada para digestão simultânea.

O período de tempo necessário para a digestão anaeróbia depende da complexidade química do material. O material rico em açúcares de fácil digestão se decompõe rapidamente, enquanto o material lignocelulósico intacto rico em celulose e polímeros de hemicelulose pode levar muito mais tempo para se decompor. Os microrganismos anaeróbios geralmente são incapazes de quebrar a lignina, o componente aromático recalcitrante da biomassa.

Os digestores anaeróbicos foram originalmente projetados para funcionar com lodo de esgoto e esterco. Esgoto e esterco não são, porém, os materiais com maior potencial de digestão anaeróbia, pois o material biodegradável já teve grande parte do conteúdo energético retirado pelos animais que o produziram. Portanto, muitos digestores operam com codigestão de dois ou mais tipos de matéria-prima. Por exemplo, em um digestor baseado em fazenda que usa esterco de leite como matéria-prima primária, a produção de gás pode ser significativamente aumentada pela adição de uma segunda matéria-prima, por exemplo, grama e milho (matéria-prima típica na fazenda), ou vários subprodutos orgânicos, como como resíduos de matadouro, gorduras, óleos e graxas de restaurantes, resíduos domésticos orgânicos, etc. (matéria-prima típica fora do local).

Os digestores que processam safras energéticas dedicadas podem atingir altos níveis de degradação e produção de biogás. Sistemas apenas de lama são geralmente mais baratos, mas geram muito menos energia do que aqueles que usam culturas, como milho e silagem de grama; usando uma quantidade modesta de material de colheita (30%), uma planta de digestão anaeróbica pode aumentar a produção de energia dez vezes por apenas três vezes o custo de capital, em relação a um sistema apenas de lama.

Teor de umidade

Uma segunda consideração relacionada à matéria-prima é o teor de umidade. Substratos mais secos e empilháveis, como alimentos e resíduos de jardim, são adequados para digestão em câmaras semelhantes a túneis. Os sistemas tipo túnel normalmente também têm descarte de águas residuais quase zero, portanto, esse estilo de sistema tem vantagens onde o descarte de líquidos do digestor é um risco. Quanto mais úmido for o material, mais adequado será para o manuseio com bombas convencionais em vez de bombas de concreto que consomem muita energia e meios físicos de movimento. Além disso, quanto mais úmido o material, mais volume e área ele ocupa em relação aos níveis de gás produzidos. O teor de umidade da matéria-prima alvo também afetará o tipo de sistema aplicado ao seu tratamento. Para usar um digestor anaeróbico de alto teor de sólidos para matérias-primas diluídas, agentes de volume, como composto, devem ser aplicados para aumentar o conteúdo de sólidos do material de entrada. Outra consideração importante é a relação carbono: nitrogênio do material de entrada. Essa proporção é o equilíbrio de alimentos que um micróbio precisa para crescer; a proporção C: N ideal é 20-30: 1. O excesso de N pode levar à inibição da digestão por amônia.

Contaminação

O nível de contaminação do material de alimentação é uma consideração chave ao usar a digestão úmida ou digestão em fluxo em pistão.

Se a matéria-prima para os digestores tiver níveis significativos de contaminantes físicos, como plástico, vidro ou metais, o processamento para remover os contaminantes será necessário para o material a ser usado. Se não for removido, os digestores podem ser bloqueados e não funcionarão de forma eficiente. Este problema de contaminação não ocorre com plantas de digestão seca ou digestão anaeróbica de estado sólido (SSAD), uma vez que SSAD lida com biomassa empilhável seca com uma alta porcentagem de sólidos (40-60%) em câmaras herméticas chamadas de caixas fermentadoras. É com esse entendimento que as estações de tratamento biológico mecânico são projetadas. Quanto maior o nível de pré-tratamento que uma matéria-prima requer, mais máquinas de processamento serão necessárias e, portanto, o projeto terá custos de capital mais elevados. Centro Nacional de Culturas Não Alimentares .

Após a classificação ou triagem para remover quaisquer contaminantes físicos da matéria-prima, o material é muitas vezes triturado, picado e mecanicamente ou hidraulicamente em polpa para aumentar a área de superfície disponível para micróbios nos digestores e, portanto, aumentar a velocidade de digestão. A maceração de sólidos pode ser conseguida usando uma bomba picadora para transferir o material de alimentação para o digestor hermético, onde ocorre o tratamento anaeróbio.

Composição do substrato

A composição do substrato é um fator importante na determinação do rendimento de metano e das taxas de produção de metano a partir da digestão da biomassa. Técnicas para determinar as características de composição da matéria-prima estão disponíveis, enquanto parâmetros como sólidos, elementais e análises orgânicas são importantes para o projeto e operação do digestor. O rendimento de metano pode ser estimado a partir da composição elementar do substrato junto com uma estimativa de sua degradabilidade (a fração do substrato que é convertida em biogás em um reator). A fim de prever a composição do biogás (as frações relativas de metano e dióxido de carbono), é necessário estimar a partição de dióxido de carbono entre as fases aquosa e gasosa, o que requer informações adicionais (temperatura do reator, pH e composição do substrato) e um modelo de especiação química . Medições diretas do potencial de biometanação também são feitas usando evolução de gás ou ensaios gravimétricos mais recentes.

Formulários

Esquema de um digestor anaeróbico como parte de um sistema de saneamento . Ele produz uma pasta digerida ( digerido ) que pode ser usada como fertilizante e biogás que pode ser usado como energia.

O uso de tecnologias de digestão anaeróbia pode ajudar a reduzir a emissão de gases de efeito estufa de várias maneiras importantes:

  • Substituição de combustíveis fósseis
  • Reduzir ou eliminar a pegada energética das estações de tratamento de resíduos
  • Reduzindo a emissão de metano em aterros sanitários
  • Substituição de fertilizantes químicos produzidos industrialmente
  • Reduzindo os movimentos do veículo
  • Reduzindo as perdas de transporte da rede elétrica
  • Reduzindo o uso de Gás LP para cozinhar
  • Um componente importante das iniciativas Zero Waste .

Tratamento de resíduos e águas residuais

Digestores anaeróbios em uma estação de tratamento de esgoto . O gás metano é gerenciado pela queima por meio de um flare de gás .

A digestão anaeróbica é particularmente adequada para material orgânico e é comumente usada para tratamento de efluentes industriais , águas residuais e lodo de esgoto . A digestão anaeróbia, um processo simples, pode reduzir muito a quantidade de matéria orgânica que poderia ser destinada a ser despejada no mar, despejada em aterros sanitários ou queimada em incineradores .

A pressão da legislação ambientalmente relacionada aos métodos de disposição de resíduos sólidos em países desenvolvidos aumentou a aplicação da digestão anaeróbia como um processo para reduzir o volume de resíduos e gerar subprodutos úteis. Pode ser usado para processar a fração separada na fonte de resíduos urbanos ou, alternativamente, combinado com sistemas de triagem mecânica, para processar resíduos municipais mistos residuais. Essas instalações são chamadas de estações de tratamento biológico mecânico.

Se os resíduos putrescíveis processados ​​em digestores anaeróbicos fossem descartados em um aterro sanitário, eles se decomporiam naturalmente e frequentemente de forma anaeróbica. Nesse caso, o gás acabará escapando para a atmosfera. Como o metano é cerca de 20 vezes mais potente como gás de efeito estufa do que o dióxido de carbono, isso tem efeitos ambientais negativos significativos.

Em países que coletam resíduos domésticos, o uso de instalações locais de digestão anaeróbia pode ajudar a reduzir a quantidade de resíduos que requerem transporte para aterros sanitários centralizados ou instalações de incineração. Essa carga reduzida no transporte reduz as emissões de carbono dos veículos de coleta. Se as instalações de digestão anaeróbica localizadas forem incorporadas a uma rede de distribuição elétrica, elas podem ajudar a reduzir as perdas elétricas associadas ao transporte de eletricidade em uma rede nacional.

Geração de energia

Nos países em desenvolvimento, sistemas simples de digestão anaeróbica doméstica e agrícola oferecem o potencial de energia de baixo custo para cozinhar e iluminar. Desde 1975, a China e a Índia tiveram grandes esquemas apoiados pelo governo para adaptação de pequenas usinas de biogás para uso doméstico para cozinhar e iluminar. Atualmente, os projetos de digestão anaeróbia no mundo em desenvolvimento podem obter apoio financeiro por meio do Mecanismo de Desenvolvimento Limpo das Nações Unidas, se puderem demonstrar que fornecem emissões reduzidas de carbono.

O metano e a energia produzidos em instalações de digestão anaeróbia podem ser usados ​​para substituir a energia derivada de combustíveis fósseis e, portanto, reduzir as emissões de gases de efeito estufa , porque o carbono em material biodegradável faz parte de um ciclo de carbono . O carbono liberado na atmosfera pela combustão do biogás foi removido pelas plantas para seu crescimento no passado recente, geralmente na última década, mas mais tipicamente na última estação de cultivo. Se as plantas crescerem novamente, retirando o carbono da atmosfera mais uma vez, o sistema será neutro em carbono . Em contraste, o carbono nos combustíveis fósseis foi sequestrado na terra por muitos milhões de anos, cuja combustão aumenta os níveis gerais de dióxido de carbono na atmosfera.

O biogás do tratamento de lodo de esgoto às vezes é usado para fazer funcionar um motor a gás para produzir energia elétrica, parte da qual ou toda ela pode ser usada para fazer o esgoto funcionar. Algum calor residual do motor é então usado para aquecer o digestor. O calor residual é, em geral, suficiente para aquecer o digestor às temperaturas exigidas. O potencial de energia das obras de esgoto é limitado - no Reino Unido, há cerca de 80 MW no total dessa geração, com potencial para aumentar para 150 MW, o que é insignificante em comparação com a demanda de energia média no Reino Unido de cerca de 35.000 MW. O escopo para geração de biogás a partir de matéria biológica de resíduos não residuais - plantações de energia, resíduos de alimentos, resíduos de matadouro, etc. - é muito maior, estimada em cerca de 3.000 MW. Espera-se que as usinas de biogás que usam resíduos animais e culturas energéticas contribuam para reduzir as emissões de CO 2 e fortaleçam a rede, ao mesmo tempo que proporcionam receitas adicionais aos agricultores do Reino Unido.

Alguns países oferecem incentivos na forma de, por exemplo, tarifas de alimentação para alimentação de eletricidade na rede elétrica para subsidiar a produção de energia verde.

Em Oakland, Califórnia, na principal estação de tratamento de águas residuais do East Bay Municipal Utility District (EBMUD), os resíduos alimentares são atualmente codigeridos com sólidos de águas residuais municipais primárias e secundárias e outros resíduos de alta resistência. Em comparação com a digestão de sólidos de águas residuais municipais sozinha, a codigestão de resíduos alimentares tem muitos benefícios. A digestão anaeróbica de polpa de resíduos alimentares do processo EBMUD de resíduos alimentares fornece um benefício de energia normalizado mais alto, em comparação com sólidos de águas residuais municipais: 730 a 1.300 kWh por tonelada seca de resíduos alimentares aplicados em comparação com 560 a 940 kWh por tonelada seca de sólidos de águas residuais municipais aplicados .

Injeção de grade

A injeção de biogás na rede é a injeção de biogás na rede de gás natural . O biogás bruto deve ser previamente atualizado para biometano. Essa atualização implica na remoção de contaminantes como o sulfeto de hidrogênio ou siloxanos, bem como o dióxido de carbono. Diversas tecnologias estão disponíveis para esse fim, sendo as mais amplamente implementadas a adsorção por oscilação de pressão (PSA) , lavagem com água ou amina (processos de absorção) e, nos últimos anos, a separação por membrana . Como alternativa, a eletricidade e o calor podem ser utilizados para geração in loco , resultando na redução de perdas no transporte de energia. As perdas de energia típicas em sistemas de transmissão de gás natural variam de 1–2%, enquanto as perdas de energia atuais em um grande sistema elétrico variam de 5–8%.

Em outubro de 2010, Didcot Sewage Works se tornou a primeira no Reino Unido a produzir gás biometano fornecido à rede elétrica nacional, para uso em até 200 residências em Oxfordshire . Em 2017, a empresa de eletricidade do Reino Unido Ecotricity planeja ter um digestor alimentado por grama de origem local para abastecer 6.000 residências

Combustível para veículos

Após a atualização com as tecnologias mencionadas acima, o biogás (transformado em biometano) pode ser usado como combustível veicular em veículos adaptados. Esse uso é muito extenso na Suécia, onde existem mais de 38.600 veículos a gás, e 60% do gás veicular é biometano gerado em usinas de digestão anaeróbia.

Fertilizante e condicionador de solo

O componente sólido fibroso do material digerido pode ser usado como um condicionador do solo para aumentar o conteúdo orgânico do solo. O licor do digestor pode ser usado como fertilizante para fornecer nutrientes vitais ao solo, em vez de fertilizantes químicos que requerem grandes quantidades de energia para serem produzidos e transportados. O uso de fertilizantes manufaturados é, portanto, mais intensivo em carbono do que o uso de fertilizante de líquido digestor anaeróbio. Em países como a Espanha , onde muitos solos estão organicamente esgotados, os mercados para os sólidos digeridos podem ser tão importantes quanto o biogás.

Gás de cozinha

Usando um biodigestor , que produz as bactérias necessárias para a decomposição, o gás de cozinha é gerado. Os resíduos orgânicos, como folhas caídas, resíduos de cozinha, resíduos de alimentos, etc., são alimentados em uma unidade de trituração, onde são misturados com uma pequena quantidade de água. A mistura é então alimentada no biodigestor, onde a bactéria a decompõe para produzir gás de cozinha. Este gás é canalizado para o fogão da cozinha. Um biodigestor de 2 metros cúbicos pode produzir 2 metros cúbicos de gás de cozinha. Isso equivale a 1 kg de GLP. A vantagem notável de usar um biodigestor é o lodo, que é um adubo orgânico rico.

Produtos

Os três principais produtos da digestão anaeróbia são biogás, digestão e água.

Biogás

Composição típica do biogás
Composto Fórmula %
Metano CH
4
50-75
Dióxido de carbono CO
2
25–50
Azoto N
2
0–10
Hidrogênio H
2
0-1
Sulfato de hidrogênio H
2
S
0–3
Oxigênio O
2
0–0
Fonte: www.kolumbus.fi, 2007
Suporte de biogás com hastes de proteção contra raios e flare de gás de reserva
Canos de transporte de biogás

O biogás é o produto residual final das bactérias que se alimentam da matéria-prima biodegradável de entrada (o estágio de metanogênese da digestão anaeróbia é realizado por arquéias , um microrganismo em um ramo distintamente diferente da árvore filogenética da vida para bactérias), e é principalmente metano e dióxido de carbono, com uma pequena quantidade de hidrogênio e vestígios de sulfeto de hidrogênio. (Conforme produzido, o biogás também contém vapor de água, sendo o volume fracionário de vapor de água uma função da temperatura do biogás). A maior parte do biogás é produzida no meio da digestão, após o crescimento da população bacteriana, e diminui à medida que o material putrescível se esgota. O gás é normalmente armazenado no topo do digestor em uma bolha de gás inflável ou extraído e armazenado próximo à instalação em um reservatório de gás.

O metano no biogás pode ser queimado para produzir calor e eletricidade, geralmente com um motor alternativo ou microturbina, muitas vezes em um arranjo de cogeração onde a eletricidade e o calor residual gerado são usados ​​para aquecer os digestores ou para aquecer edifícios. O excesso de eletricidade pode ser vendido a fornecedores ou colocado na rede local. A eletricidade produzida por digestores anaeróbios é considerada energia renovável e pode atrair subsídios. O biogás não contribui para o aumento das concentrações de dióxido de carbono na atmosfera porque o gás não é liberado diretamente na atmosfera e o dióxido de carbono vem de uma fonte orgânica com um ciclo de carbono curto.

O biogás pode exigir tratamento ou 'depuração' para refiná-lo para uso como combustível. O sulfeto de hidrogênio , um produto tóxico formado a partir de sulfatos na matéria-prima, é liberado como um componente residual do biogás. Agências ambientais nacionais, como a Agência de Proteção Ambiental dos EUA ou a Agência Ambiental Inglesa e Galesa , impõem limites estritos aos níveis de gases contendo sulfeto de hidrogênio e, se os níveis de sulfeto de hidrogênio no gás forem altos, depuração e limpeza do gás equipamentos (como o tratamento de gás de amina ) serão necessários para processar o biogás dentro dos níveis aceitos regionalmente. Alternativamente, a adição de cloreto ferroso FeCl 2 aos tanques de digestão inibe a produção de sulfeto de hidrogênio.

Os siloxanos voláteis também podem contaminar o biogás; tais compostos são freqüentemente encontrados em resíduos domésticos e águas residuais. Em instalações de digestão que aceitam esses materiais como um componente da matéria-prima, os siloxanos de baixo peso molecular se volatilizam em biogás. Quando esse gás é queimado em um motor a gás, turbina ou caldeira, os siloxanos são convertidos em dióxido de silício (SiO 2 ), que se deposita internamente na máquina, aumentando o desgaste. Tecnologias práticas e econômicas para remover siloxanos e outros contaminantes do biogás estão disponíveis no momento. Em certas aplicações, o tratamento in situ pode ser usado para aumentar a pureza do metano, reduzindo o conteúdo de dióxido de carbono do gás de escape, purgando a maior parte dele em um reator secundário.

Em países como Suíça, Alemanha e Suécia, o metano no biogás pode ser comprimido para ser usado como combustível para transporte de veículos ou como entrada diretamente na rede de gás. Em países onde o motivador para o uso da digestão anaeróbia são os subsídios à eletricidade renovável, essa via de tratamento é menos provável, pois a energia é necessária nesta fase de processamento e reduz os níveis gerais disponíveis para venda.

Digerir

Digestate são os restos sólidos do material de entrada original para os digestores que os micróbios não podem usar. Também consiste nos restos mineralizados das bactérias mortas de dentro dos digestores. O digestado pode vir em três formas: fibroso, licor ou uma combinação das duas frações à base de lodo. Em sistemas de dois estágios, diferentes formas de digestão vêm de diferentes tanques de digestão. Em sistemas de digestão de estágio único, as duas frações serão combinadas e, se desejado, separadas por processamento posterior.

Anaeróbio acidogênica digerido

O segundo subproduto (digestado acidogênico) é um material orgânico estável, consistindo principalmente de lignina e celulose, mas também de uma variedade de componentes minerais em uma matriz de células bacterianas mortas; algum plástico pode estar presente. O material se assemelha ao composto doméstico e pode ser usado como tal ou para fazer produtos de construção de baixa qualidade, como papelão. O digestado sólido também pode ser usado como matéria-prima para a produção de etanol.

O terceiro subproduto é um líquido (digerido metanogênico) rico em nutrientes, que pode ser utilizado como fertilizante, dependendo da qualidade do material a ser digerido. Os níveis de elementos potencialmente tóxicos (PTEs) devem ser avaliados quimicamente. Isso dependerá da qualidade da matéria-prima original. No caso da maioria dos fluxos de resíduos biodegradáveis ​​separados na fonte, os níveis de PTEs serão baixos. No caso de resíduos provenientes da indústria, os níveis de PTEs podem ser maiores e devem ser levados em consideração ao determinar o uso final adequado para o material.

O digestado normalmente contém elementos, como a lignina, que não podem ser decompostos pelos microrganismos anaeróbios. Além disso, o digerido pode conter amônia que é fitotóxica e pode dificultar o crescimento das plantas se for usado como um material para melhorar o solo. Por essas duas razões, um estágio de maturação ou compostagem pode ser empregado após a digestão. A lignina e outros materiais estão disponíveis para degradação por microrganismos aeróbios, como fungos, ajudando a reduzir o volume total do material para transporte. Durante essa maturação, a amônia será oxidada em nitratos, melhorando a fertilidade do material e tornando-o mais adequado como corretivo de solos. Grandes estágios de compostagem são normalmente usados ​​por tecnologias de digestão anaeróbia seca.

Esgoto

O produto final dos sistemas de digestão anaeróbia é a água, que se origina tanto do teor de umidade do resíduo original que foi tratado quanto da água produzida durante as reações microbianas nos sistemas de digestão. Esta água pode ser liberada da desidratação do digerido ou pode ser implicitamente separada do digerido.

As águas residuais que saem da instalação de digestão anaeróbia normalmente apresentam níveis elevados de demanda bioquímica de oxigênio (BOD) e demanda química de oxigênio (COD). Essas medidas de reatividade do efluente indicam uma capacidade de poluir. Parte desse material é denominado 'COD difícil', o que significa que não pode ser acessado pelas bactérias anaeróbias para conversão em biogás. Se esse efluente fosse lançado diretamente nos cursos d'água, isso os afetaria negativamente, causando eutrofização . Como tal, muitas vezes é necessário mais tratamento das águas residuais. Este tratamento será tipicamente um estágio de oxidação em que o ar é passado através da água em um reator de lote de sequenciamento ou unidade de osmose reversa .

História

Lâmpada de rua a gás

A história da digestão anaeróbia é longa, começando já no século X AEC, na Assíria, onde o biogás era usado para aquecer a água do banho. O interesse científico relatado na fabricação de gás produzido pela decomposição natural da matéria orgânica data do século 17, quando Robert Boyle (1627-1691) e Stephen Hales (1677-1761) notaram que perturbar o sedimento de riachos e lagos liberava gás inflamável . Em 1778, o físico italiano Alessandro Volta (1745-1827), o pai da Eletroquímica , identificou cientificamente esse gás como metano .

Em 1808, Sir Humphry Davy provou a presença de metano nos gases produzidos pelo esterco de gado . O primeiro digestor anaeróbico conhecido foi construído em 1859 em uma colônia de leprosos em Bombaim, na Índia . Em 1895, a tecnologia foi desenvolvida em Exeter , na Inglaterra , onde uma fossa séptica era usada para gerar gás para a lâmpada destruidora de gás de esgoto , um tipo de iluminação a gás . Também na Inglaterra, em 1904, o primeiro tanque de duplo propósito para sedimentação e tratamento de lodo foi instalado em Hampton, Londres .

Tanque imhoff

No início do século 20, os sistemas de digestão anaeróbia começaram a se parecer com a tecnologia que aparece hoje. Em 1906, Karl Imhoff criou o tanque Imhoff ; uma forma inicial de digestor anaeróbico e sistema modelo de tratamento de águas residuais ao longo do início do século XX. Depois de 1920, os sistemas de tanques fechados começaram a substituir o uso anteriormente comum de lagoas anaeróbicas - bacias de terra cobertas usadas para tratar sólidos voláteis. A pesquisa sobre a digestão anaeróbia começou para valer na década de 1930.

Na época da Primeira Guerra Mundial , a produção de biocombustíveis diminuiu à medida que a produção de petróleo aumentou e seus usos foram identificados. Embora a escassez de combustível durante a Segunda Guerra Mundial tenha repovoado a digestão anaeróbica, o interesse pela tecnologia diminuiu novamente após o fim da guerra. Da mesma forma, a crise de energia da década de 1970 despertou interesse na digestão anaeróbia. Além dos altos preços da energia, os fatores que afetam a adoção de sistemas de digestão anaeróbia incluem a receptividade à inovação, penalidades de poluição, incentivos políticos e a disponibilidade de subsídios e oportunidades de financiamento.

Hoje, digestores anaeróbicos são comumente encontrados ao lado de fazendas para reduzir o escoamento de nitrogênio do esterco, ou instalações de tratamento de águas residuais para reduzir os custos de eliminação de lodo. A digestão anaeróbica agrícola para produção de energia se tornou mais popular na Alemanha, onde havia 8.625 digestores em 2014. No Reino Unido, havia 259 instalações em 2014 e 500 projetos planejados para entrar em operação em 2019. Nos Estados Unidos, havia 191 fábricas operacionais em 34 estados em 2012. A política pode explicar por que as taxas de adoção são tão diferentes entre esses países.

As tarifas feed-in na Alemanha foram promulgadas em 1991, também conhecidas como FIT, fornecendo contratos de longo prazo que compensam os investimentos em geração de energia renovável. Consequentemente, entre 1991 e 1998, o número de usinas de digestores anaeróbicos na Alemanha cresceu de 20 para 517. No final da década de 1990, os preços da energia na Alemanha variaram e os investidores ficaram inseguros quanto ao potencial do mercado. O governo alemão respondeu alterando o FIT quatro vezes entre 2000 e 2011, aumentando as tarifas e melhorando a lucratividade da digestão anaeróbia, resultando em retornos confiáveis ​​para a produção de biogás e altas taxas de adoção em todo o país.

Veja também

Referências

links externos