Biodigestores: Uma Forma De Mitigar Os Efeitos Ambientais Relacionados à Pecuária,...

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Transformações nos seres vivos e ambiente- Bc0306-UFABC Universidade Federal do ABC Biodigestores: uma forma de mitigar os efeitos ambientais relacionados à pecuária, avicultura e suinocultura de corte, principalmente o que tange o destino dos dejetos e a redução da emissão dos gases do efeito estufa (GEE). *Disciplina: Transformações nos seres vivos e ambiente- BC-0306 *Alunos: Bárbara Molina Mourad Caio Rozzetti silva Flavia Ribeiro Mariana Macieira *Professor Doutor: Carlos Miyazawa *Turma C Transformações nos seres vivos e ambiente-Bc0306-UFABC 2 Conteúdo 1.Objetivos ............................................................................................................................... 3 3.Biodigestores ......................................................................................................................... 3 3.1. História dos biodigestores .............................................................................................. 3 3.2.Definição e composição de um biodigestor ..................................................................... 4 3.3.Cálculos dos parâmetro iniciais utilizados no dimensionamento de biodigestores modelos indiano, Chinês e batelada. ..................................................................................... 5 3.4. Biodigestor modelo indiano ............................................................................................ 5 3.5. Biodigestor modelo Chinês ............................................................................................. 6 3.5.1 comparação de desempenho entre biodigestores modelo indiano e chinês ............. 7 3.6.Biodigestor modelo batelada........................................................................................... 8 3.7. Protocolo de Kyoto a respeito dos biodigestores ............................................................ 8 4. Biogás ................................................................................................................................... 9 4.1. Composição química do biogás ....................................................................................... 9 4.2. Equivalência energética do biogás ................................................................................ 10 4.3. Relação entre a geração de material orgânico e a produção do biogás ......................... 10 5. Relação entre dieta animal e GEE. ....................................................................................... 11 6.Efluentes.............................................................................................................................. 12 6.1.Biofertilizante................................................................................................................ 12 6.2.Substrato(substrato organomineral).............................................................................. 13 7. A fermentação anaeróbica .................................................................................................. 13 8. Custo X Benefício. ............................................................................................................... 13 9.Conclusão ............................................................................................................................ 15 10.Referências Bibliográficas .................................................................................................. 15 Santo André- SP Novembro/2010 Transformações nos seres vivos e ambiente-Bc0306-UFABC 3 1.Objetivos O presente trabalho tem por objetivo apresentar os modelos de biodigestores conhecidos até o presente momento, e os principais problemas ambientais atualmente relacionados à pecuária, à avicultura e à suinocultura de corte , principalmente no que tange o destino dos dejetos e emissões de gases efeito estufa(GEE), e as possíveis formas de mitigar essas externalidades. Os principais problemas apontados são degradação dos sistemas ambientais, degradação do solo, emissão de gases efeito estufa e poluição dos recursos hídricos. [1] 2.Introdução Em sistemas de confinamento de bovinos e suínos, um grande volume de dejetos é gerado diariamente. Estes dejetos são compostos orgânicos de alto teor energético, que armazenados e destinados corretamente podem ser fonte de energia. Os biodigestores anaeróbicos representam uma forma de tratamento dos resíduos, pois além de permitir a redução do potencial poluidor, e dos riscos sanitários dos dejetos (como zoonoses, em geral acarretadas pela transmissão da bactéria E. coli, Campylobacter spp. ,podendo ser transmitida para o gado e para o homem),promove a geração do biogás e permite a reciclagem do efluente, este podendo ser utilizado como fertilizante. 3.Biodigestores Um biodigestor é composto basicamente uma câmara fechada, na qual a biomassa( em geral detritos animais ) é fermentada anaerobicamente. Como resultado desta fermentação anaeróbica, surgem o biogás e o fertilizante. Assim sendo, podemos definir um biodigestor como um aparelho designado para conter a biomassa e, seu produto, o biogás. 3.1. História dos biodigestores O biogás já é conhecido início do século XIX, embora a primeira instalação operacional destinadas a produzir gás combustível só ter sido posta em operação aos meados deste século. Segundo a literatura existente, o primeiro biodigestor posto em funcionamento regular na Índia foi no início deste século em Bombaim. Em 1950, ainda na Índia, foi instalado o primeiro Biodigestor de sistema contínuo. Na década de 1960, foram desenvolvidas pesquisas com biodigestores da África do Sul, o primeiro biodigestor a batelada foi posto em funcionamento no ano de 1900 também posto em Bombaim, na índia. Santo André- SP Novembro/2010 Transformações nos seres vivos e ambiente-Bc0306-UFABC 4 Tais pesquisas resultaram em grande difusão de metodologia de biodigestores como forma de tratar os dejetos animais, obter biogás e ainda conservar o efeito fertilizante do produto final (biofertilizante). Foi esse trabalho pioneiro, realizado na região de Ajitmal (Norte da Índia), que permitiu a construção de quase meio milhão de unidades de biodigestão no interior daquele país. [2] 3.2.Definição e composição de um biodigestor O biodigestor é um tanque protegido do contato com o ar atmosférico, onde toda a biomassa contida nos dejetos e efluentes, é metabolizada (fermentada) por bactérias anaeróbicas. Os biodigestores são câmaras fechadas, no geral sendo compostos de duas partes: Um recipiente para abrigar e permitir a digestão da biomassa (tanque), e um gasômetro para abrigar o biogás (campânula)[2] Fonte: Andrade et al. 1994 Santo André- SP Novembro/2010 Transformações nos seres vivos e ambiente-Bc0306-UFABC 5 3.3.Cálculos dos parâmetro iniciais utilizados no dimensionamento de biodigestores modelos indiano, Chinês e batelada. Para o dimensionamento de biodigestores, deve-se tomar cuidado em armazenar o biogás, para que no horário de pico seja o suficiente para manter os aparelhos funcionando, sendo necessário o conhecimento do valor de biogás a ser consumido (B). Este valor é conhecido(equação 1) e, através da soma do valor de consumo específico de cada equipamento (c) e o tempo utilizado durante as 24 horas do dia (t). Para obter o volume útil do biodigestor(v)modelos indiano, chinês e batelada, basta multiplicar o fator de rendimento (k) pelo valor necessário de biogás por dia (a) (equação 2) B=c+t (1)Valor de biogás a ser consumido V=ka (2)Volume útil do biodigestor O valor de k pode variar de 0,7 a 4, dependendo de fatores como: tipo de biomassa, diluição, temperatura e tipo de reabastecimento. [3] 3.4. Biodigestor modelo indiano Este modelo de biodigestor caracteriza-se por possuir uma campânula como gasômetro, a qual pode estar mergulhada sobre a biomassa em fermentação, ou em um selo d’água externo, e uma parede central que divide o tanque de fermentação em duas câmaras. A função da parede divisória faz com que o material circule por todo o interior da câmara de fermentação. O modelo indiano possui pressão de operação constante, ou seja, à medida que o volume de gás produzido não é consumido de imediato, o gasômetro tende a deslocar-se verticalmente, aumentando o volume deste, portanto, mantendo a Santo André- SP Novembro/2010 Transformações nos seres vivos e ambiente-Bc0306-UFABC 6 pressão no interior deste constante. O fato de o gasômetro estar disposto sobre o substrato ou sobre o selo d’água, reduz as perdas durante o processo de produção do gás. O resíduo a ser utilizado para alimentar o biodigestor indiano, deverá apresentar uma concentração de sólidos totais (ST) não superior a 8%, para facilitar a circulação do resíduo pelo interior da câmara de fermentação e evitar entupimentos dos canos de entrada e saída do material. O abastecimento também deverá ser contínuo,ou seja, geralmente é alimentado por dejetos[5] Fig.2.-Esquema de um biodigestor modelo indiano Fonte- Eco-vilagge, 2002 3.5. Biodigestor modelo Chinês O modelo chinês é mais rústico, ficando quase que totalmente enterrado no solo. Formado por uma câmara cilíndrica em alvenaria (tijolo) para a fermentação, com teto abobado, impermeável, destinado ao armazenamento do biogás. Este biodigestor funciona com base no princípio de prensa hidráulica, de modo que aumentos de pressão em seu interior, e o acúmulo de biogás resultarão em deslocamentos do efluente da câmara de fermentação para a caixa de saída, e em sentido contrário quando ocorre descompressão. O modelo Chinês é constituído quase que totalmente em alvenaria, dispensando o uso de gasômetro em chapa de aço, reduzindo os custos, contudo podem ocorrer problemas com vazamento do biogás caso a estrutura não seja bem vedada e impermeabilizada. Neste tipo de biodigestor uma parcela do gás formado na caixa de saída é libertado para a atmosfera, reduzindo parcialmente a pressão interna do gás, por este motivo as construções de biodigestor tipo chinês não são utilizadas para instalações de grande porte. Semelhante ao modelo indiano, o substrato deverá ser fornecido Santo André- SP Novembro/2010 Transformações nos seres vivos e ambiente-Bc0306-UFABC 7 continuamente, com a concentração de sólidos totais em torno de 8%, para evitar entupimentos do sistema de entrada e facilitar a circulação do material. [5] Fig.3. Biodigestor modelo chines. Fonte:Andrare et al.1994 3.5.1 comparação de desempenho entre biodigestores modelo indiano e chinês Em termos comparativos, os modelos Chinês e Indiano, apresentam desempenho semelhante, apesar do modelo Indiano ser ligeiramente mais eficiente quanto a produção de biogás e redução de sólidos no substrato, conforme podemos visualizar na tabela a seguir.[5] BIODIGESTORES CHINÊS INDIANO REDUÇÃO DE SÓLIDOS(%) 37 38 2.7 3.0 PRODUÇÃO MÉDIA( ) 489 538 PRODUÇÃO MÉDIA(l. de substrato) Tabela 01: Resultados preliminares do desempenho de biodigestores modelo Indiano e Chinês, com capacidade de 5,5 m3 de biomassa, operados com esterco bovino. Fonte: Lucas Junior 1984 Santo André- SP Novembro/2010 Transformações nos seres vivos e ambiente-Bc0306-UFABC 8 3.6.Biodigestor modelo batelada Trata-se de um sistema bastante simples e de pequena exigência operacional. Sua instalação poderá ser apenas um tanque anaeróbio, ou vários tanques em série. Esse tipo de biodigestor é abastecido de uma única vez, portanto não é um biodigestor contínuo, mantendo-se em fermentação por um período conveniente, sendo o material descarregado posteriormente após o término do período efetivo de produção de biogás. Enquanto, os modelos chinês e indiano prestam-se para atender propriedades em que a disponibilidade de biomassa ocorre em períodos curtos, como exemplo aquelas que recolhem o gado duas vezes ao dia para ordenha, permitindo coleta diária de biomassa, que deve ser encaminhada ao biodigestor, o modelo em batelada adapta-se melhor quando essa disponibilidade ocorre em períodos mais longos, como ocorre em granjas avícolas de corte, cuja a biomassa fica a disposição após a venda dos animais e limpeza do galpão.[5] Fig 4. Biodigestor modelo batelada Fonte: Jornal folha d’oeste. 3.7. Protocolo de Kyoto a respeito dos biodigestores As preocupações com as mudanças climáticas são expressas no protocolo de Kyoto, que por sua vez autoriza mecanismos de redução de emissão de gases do efeito estufa (GEE), denominado de “ mecanismo de desenvolvimento limpo ” -MDL, destinado aos países desenvolvidos e em desenvolvimento Projetos de biodigestores têm o aval da ONU. Santo André- SP Novembro/2010 9 Transformações nos seres vivos e ambiente-Bc0306-UFABC 4. Biogás O biogás é uma mistura gasosa feita principalmente, de dióxido de carbono (CO2) e de metano (CH4). Tem uma baixa densidade e é mais leve que o ar, apresentando desta forma menores riscos de explosões, já que a sua acumulação se torna mais difícil que a dos demais gases. A mistura de gases cuja composição depende de diversos fatores, como a temperatura em que se desenvolve o processo, o tipo de material a ser digerido, o tempo de retenção etc. O poder calorífico do biogás é em média aproximadamente a 5500 kcal/m 4.1. Composição química do biogás O biogás, além do CO2 e CH4, contém uma mistura de vários elementos gasosos, sendo estes das seguintes configurações: ELEMENTO METANO (CH4) DIÓXIDO DE CARBONO (CO2) HIDROGÊNIO (H2) AZOTO (N2) OXIGÊNIO (O2) SULFETO DE HIDROGÊNIO (H2S) AMONÍACO (NH3) MONÓXIDO DE CARBONO (CO) ÁGUA (H2O) Tab.2- elementos componentes do biogás(%) Fonte: “Biodigestor energia renovável.” Santo André- SP Novembro/2010 PORCENTAGEM 50 A 75 25 A 40 1A3 0.5 A 2.5 0.1 A 1.0 0.1 A 0.5 0.1 A 0.5 0 A 0.1 VARIÁVEL 10 Transformações nos seres vivos e ambiente-Bc0306-UFABC 4.2. Equivalência energética do biogás O biogás, além de ser um combustível de fácil acesso e de custos baixos, não polui, e em certas escalas obtemos um melhor resultado com ele do que com combustíveis fósseis. Como podemos observar: CARVÃO VEGETAL QUEROSENE LENHA GLP (BUTANO-PROPANO) ÓLEO DIESEL KWH GASOLINA CARVÃO MINERAL ÁLCOOL CARBURANTE XISTO Tabela 3. Equivalência energética para 1 m3 de biogás 0.8 Kg 0.62l 3.5Kg 1.43Kg 0.55l 0.74l 0.61l 0.74Kg 0.80l 4.0Kg Fonte: Dagannuti, Roberto; Palhaci, M. do.C. J. Palácido; et al 4.3. Relação entre a geração de material orgânico e a produção do biogás MATERIAL ORGÂNICO Bovino Bubalino Sumo Eqüino Ovino Avícola Palha de arroz Palha de trigo Palha de feijão Palha de soja Haste de linho Resto de girassol Folhas de parreira Folhas de batateira Folhas de árvore Tabela 4. Potencial biogás Produção de biogás( tonelada de material seco) 360-270 360-270 560-460 380-260 350-250 620-520 300 300 380 300 359 300 270 270 245 Fonte: Dagannuti, Roberto; Palhaci, M. do.C. J. Palácido; et al Santo André- SP Novembro/2010 Transformações nos seres vivos e ambiente-Bc0306-UFABC 11 5. Relação entre dieta animal e GEE. Dentro do rúmen, a primeira parte do estômago dos animais ruminantes como os bovinos, bubalinos, ovinos e caprinos, o capim é fermentado por bactérias, fungos e protozoários. Nessa reação, os carboidratos das plantas são convertidos em ácidos graxos e há liberação de gás carbônico e metano – que vão para a atmosfera pela eructação e pela flatulência. As emissões gasosas estão diretamente relacionadas à alimentação que o gado recebe. O maior vilão é o capim muito fibroso, passado, de difícil digestão e pouco nutritivo. Santo André- SP Novembro/2010 Transformações nos seres vivos e ambiente-Bc0306-UFABC 12 Fig.5.Produção anual de dejetos por animal Fonte: Lucas Júnior 1984 6.Efluentes O biofertilizante e o substrato são os insumos efluentes, resultado da fermentação anaeróbica dos dejetos contidos no biodigestor . 6.1.Biofertilizante No biofertilizante, está contida a parte liquida provenientes da separação,por meio de decantação do efluente . O biofertilizante é um adubo orgânico produzido a partir de uma mistura de materiais orgânicos (esterco, frutas, leite), minerais (macro e micronutrientes) e água. A partir dos princípios de produção de todos os tipos de biofertilizantes, existem várias maneiras de se aumentar à concentração de nutrientes, originando assim os biofertilizantes enriquecidos. O processo de enriquecimento pode se dar com a adição de cinza de madeira ou cinza de casca de arroz, urina de vaca, plantas trituradas, frutas, farinha de rochas naturais, leite, esterco bovino e de aves ou macro e micronutrientes concentrados[10] Santo André- SP Novembro/2010 Transformações nos seres vivos e ambiente-Bc0306-UFABC 13 6.2.Substrato(substrato organomineral) A parte sólida chamada substrato adubo organomineral, após seca ao sol e misturada com areia grossa (em geral na proporção 1:1), certas vezes o substrato é ainda misturado a cascas como as de amendoim triturado e arroz, se torna importante para o sistema de o cultivo aberto, que torna o sistema radicular mais aerado. [7] [8]. 7. A fermentação anaeróbica A fermentação anaeróbia pode ser considerada como um processo de três estágios, no primeiro, compostos orgânicos insolúveis são transformados, por meio de hidrólise enzimática, em compostos orgânicos solúveis de cadeia de carbono mais curta, devido à ação de microorganismos. Os compostos solúveis formados constituem-se em substratos para os microorganismos do segundo estágio, quando são transformados em ácidos orgânicos, principalmente o acético, de cadeias com até 6 átomos de carbono. No terceiro estágio ocorre a formação de metano. As bactérias metanogênicas utilizam o ácido acético do estágio anterior para produção desse gás [8] 8. Custo X Benefício. A construção de biodigestor tem custos relativamente elevados e concentrados num único período, sendo rateados ao longo da vida útil dos biodigestores. Além dos custos de construção de biodigestores, têm de ser levados em conta também os custo operacionais necessários para manter o equipamento em funcionamento; estes custos compõem-se predominantemente de mão-de-obra necessária para a coleta, manipulação e transporte de dejetos, e custos de manutenção do biodigestor ( estes não têm valor realmente significativo)[6] Santo André- SP Novembro/2010 Transformações nos seres vivos e ambiente-Bc0306-UFABC 14 Tabela 5.custos de materiais para a construção de um biodigestor em alvenaria(modelo indiano) em 2005. Fonte: Maura S. T. Esperancini; Fernando Colen; et al-2007 Tabela 6.Benefícios decorrentes da economia de gastos pela substituição de energia elétrica e gás GLP, por biogás, em assentamento rural em São Paulo, em 2005. Fonte: Maura S. T. Esperancini; Fernando Colen; et al.2007 Santo André- SP Novembro/2010 Transformações nos seres vivos e ambiente-Bc0306-UFABC 15 9.Conclusão Neste projeto, conseguimos listar as características comuns aos biodigestores, sua forma de funcionamento, e seus benefícios, tanto na redução da emissão de GEE, quanto na diminuição de dejetos sem tratamento e não aproveitados. Ficou evidente que o número crescente de biodigestores, só vem a beneficiar a sociedade como um todo. A geração do biogás, biofertilizantes, e substrato organomineral transformam o que antes era resíduo inútil e poluente em formas de redução de gastos e até mesmo lucro em grandes propriedades e assentamentos. Uma outra alternativa que ajudaria a reduzir a emissão de GEE provenientes da atividade pecuarista , em associação à adoção do sistema de biodigestores, seria: • melhorar as condições de criação de gado nacionais, através do sistema de confinamento para pecuaristas com rebanhos superiores a 50 cabeças, juntamente com a avaliação e controle dos gases emitidos; • aumentar o recurso financeiro dos produtores a fim de que os mesmos cuidem melhor do solo utilizado para pastagem; • alterar geneticamente os rebanhos a fim de diminuir a emissão de metano – redução de 30%; • criação de rebanhos juntamente com árvores cultivadas – fazendas neutras na emissão de GEE. Desta forma, seria possível diminuir de forma significativa a emissão de GEE provenientes das atividades pecuaristas. 10.Referências Bibliográficas [1]Zen, S. de; Barioni, L, Gustavo; et al.Pecuária de corte brasileira:impactos ambientais e gases do efeito estufa (GEE)Piracicaba-SP.Universidade de São Paulo(USP)-Departamento de Economia, Administração e Sociologia-Escola superior de agricultura “Luiz de Queiros”-CEPEA.2p.2008 [2]Gaspar,R.M.B leme. Utilização de biodigestores em pequenas e médias propriedades rurais com ênfase na agregação de valor: um estudo de caso na região de Toledo- PR. Florianópolis- SC. Universidade federal de Santa Catarina(UFSC).12, 13p. 2003. [3]Portes, Z. Aparecida; Florentino, H de Oliveira. Aplicativo computacional para projetos e construção de biodigestores rurais. Botucatu- SP.Universidade estadual paulista(UNESP)- Departamento de bioestatística- Energia da agricultura.121p.2006 Santo André- SP Novembro/2010 Transformações nos seres vivos e ambiente-Bc0306-UFABC 16 [4] Engenharia & projetos - projetos e consultoria de engenharia civil e ambiental. Disponível em: . Último acesso em: 14/11/2010. [5]Dagannuti, Roberto; Palhaci, M. do.C. J. Palácido; et al. Biodigestores rurais: modelo indiano, chinês e batelada.Bauru-SP.Universidade estadual paulista (UNESP)Departamento de Artes e Representação Gráfica, FAAC - Faculdade de Arquitetura, Artes e Comunicação. [6] Maura S. T. Esperancini; Fernando Colen; et al. Viabilidade técnica e econômica da substituição de fontes convencionais de energia por biogás em assentamento rural do Estado de São Paulo. .Jaboticabal-SP. Universidade estadual paulista. Departamento de gestão e tecnologia agroindustrial.2007. [7] Luiz V. E. Villela Jr., Jairo A. C. de Araújo; et al. Substrato e solução nutritiva desenvolvidos a partir de efluente de biodigestor para cultivo do meloeiro. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental. v.11, n.2, p.152-158, 2007. [8] Luiz Vitor E. Villela Junior; Jairo Augusto C. Araújo; et al . Comportamento do meloeiro em cultivo sem solo com a utilização de biofertilizante.jaboticabalSP.Universidade estadual paulista.Departamento de engenharia rural.2003. [9] Darolt, M. Roberto; et al. BIOFERTILIZANTES: Caracterização Química, Qualidade Sanitária e Eficiência em Diferentes Concentrações na Cultura da Alface. CuritibaPR.Universidade federal do Paraná. Departamento de Solos e Engenharia Agrícola, Setor de Ciências Agrárias. 2006 [10] Jairo A. C. de Araújo; Thiago L. Factor; et al. Utilização do efluente de biodigestor na produção de pimentão em substratos.Jaboticabal-SP.Universidade estadual paulista. Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias. Ano não citado. Santo André- SP Novembro/2010