TÉCNICAS ANTERIORES

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "Aplicação de acelerador de processo orgânico caracterizado por possuir ligações entre carbono e hidrogénio (C-H) e entre carbono e carbono (C-C) nas cadeias carbónicas, substituídas por ligações mais reativas, por exemplo, dos grupos funcionais Hidroxila, Tionila, Acila, Cetona, Éter, entre outros, para aceleração do processo de biodigestão e geração de gás"

A digestão anaeróbia é um processo tradicional para o tratamento de águas residuais e de resíduos orgânicos em alguns países. No entanto, a codigestão, que de maneira geral consiste na digestão anaeróbia de um substrato com adição de um ou mais componentes, é pouco utilizada, por necessitar de estudos direcionados que proporcionem um balanceamento do sistema para seu adequado funcionamento. Em geral, as técnicas focam a produção de biogás dos resíduos por digestão anaeróbia, mas a adição de outros compostos com objetivo de acelerar o processo, tais como os dos grupos funcionais Hidroxila, Tionila, Acila, Cetona, Éter, entre outros, entre outras (mistura binária ou ternária), ainda é pouco estudada.

A maioria das técnicas se direciona à utilização da digestão anaeróbia apenas para degradação de resíduos em aterros ou biodigestores e para lodo de estações de tratamento de esgoto com foco na produção de biogás. A PI 7927848 está relacionada à elaboração de um aparato experimental para a utilização no processo de digestão da matéria orgânica dos resíduos sob condições controladas, com avaliação da redução dos sólidos totais. No entanto, não envolve a utilização de substâncias dos grupos funcionais Hidroxila, Tionila, Acila, Cetona, Éter, entre outros, entre outras, nem lodo de ETE.

A PI 7699563 desenvolveu uma técnica para degradação de resíduos em aterros sanitários com aumento da capacidade de geração de biogás, mas se direciona às etapas de desenho, construção e operação de aterros, com foco no controle da umidade dos resíduos pela adição de lodo de esgoto ou lixiviado para aceleração da degradação.

A PI US7556737 e a PI US6296766 envolvem a utilização de digestores para degradação dos resíduos, com objetivo na otimização das fases da digestão anaeróbia, sem adição de outros compostos. Na maioria dos casos, a otimização é realizada pela recirculação do lixiviado gerado ou do próprio lodo produzido no processo, como é o caso da PI US5451319, que utiliza um biodigestor desenvolvido para recircular o lodo produzido na fermentação metanogênica como inoculo para acelerar o processo de digestão do esgoto .

Em relação às aplicações de substâncias dos grupos funcionais Hidroxila, Tionila, Acila, Cetona, Éter, entre outros, há diversas técnicas, utilizadas em áreas bastante distintas. A ampla faixa de aplicações, no entanto, ainda não foi direcionada á utilização de substâncias do grupo Hidroxila, Tionila, Acila, Cetona, Éter, entre outros, como componente de aceleração do processo de digestão anaeróbia do lodo e dos resíduos.

A grande parcela das técnicas divulgadas mostra aplicações voltadas para a síntese de produtos, como é o caso da PI 0709679-8 A2 que demonstra o desenvolvimento de condições de cultivo apropriadas para que uma bactéria cresça anaerobicamente ( fermentativãmente) em um substrato de glicerol, de modo que o glicerol seja, dessa forma, convertido em um produto desejável, como etanol, hidrogénio, formato, succinato ou 1, 2-pro.panodiol .

Existem técnicas de aplicações do glicerol para produção de biogás, entretanto, não estão voltadas para a aceleração da digestão anaeróbia. A ^; PI0702746-0 A2 representa um sistema de gaseificação de propanotriol (conhecido vulgarmente como glicerol ou glicerina) para produção de gás combustível sintético, biogás, com produção de energia térmica ou elétrica e se baseia na pirólise da glicerina.

CO-DIGESTAO: Atual estado da técnica e busca de anterioridade

A digestão anaeróbia é uma degradação bipquímica, mediada por microrganismos, da matéria orgânica complexa em compostos orgânicos simples e nutrientes dissolvidos. Este processo ocorre naturalmente no meio ambiente e consiste na quebra de substratos orgânicos complexos, através de uma série de fases paralelas e sequenciais, por vários grupos de microrganismos, em um ambiente livre de oxigénio. Ao final do processo, a matéria orgânica é degradada em dióxido de carbono (C0 ₂ ) , amónia, gás sulfídrico e metano (CH ₄ ), sendo a mistura dos gases conhecida como biogás.

Os parâmetros operacionais e ambientais do processo afetam o comportamento e desempenho dos digestores anaeróbios e a atuação da comunidade microbiana no sistema. Na verdade, o processo é fortemente influenciado pela temperatura, pH, alcalinidade e toxicidade, considerados fatores primários de controle. Além disso, a composição e a influência do lodo utilizado para a inoculação também devem ser considerados (Guyot et al. 1993).

A digestão anaeróbia tem muitos benefícios ambientais e oferece vantagens significativas sobre outras formas de tratamento de resíduos (Ghosh et al, 1975; Hepherd, 1985; Sayed et al, 1988;.Méndez et al, 1989;. Rico et al, 1991;. Sahlstrom 1994; Hawkes et al, 1995; Tafdrup, 1995; Pain & Lund et al, 1996;. Smet et al, 1999; Van Lier et al., 2001; Mata-Alvarez , 2002; Sahlstrom, 2003; Kunte et al, 2004;. Ward et al, 2008) tais como:

- menor produção de biomassa de lodo em comparação com tecnologias de tratamento aeróbio;

tratamento de águas residuais de alta concentração orgânica;

- sucesso no tratamento de resíduos úmidos com teor abaixo de 40% de matéria seca;

- possibilidade de reciclagem de nutrientes e redução dos volumes de resíduos;

remoção eficaz de patógenos, em especial para digestores tipo múltiplo estágio.

Há uma longa tradição de tratamento de lodo de esgoto anaeróbio em estações de tratamento de águas residuais para reduzir o volume de lodo, mas o processo não tem sido direcionado para uma ótima produção de biogás. Considerando os problemas gerais relacionados com a fermentação de resíduos, a codigestão parece ser uma solução promissora (Cecchi et al., 1996). Esta técnica pode ser uma opção muito forte para melhorar a geração de CH ₄ do biogás em plantas de tratamento já construídas. Por isso, estudos são necessários para investigar os efeitos das variações na entrada de um digestor, bem como a de que forma a composição dos resíduos pode influenciar na estabilidade geral do processo (Murto et ai., 2004). 0 principio básico da codigestão consiste em equilibrar diversos parâmetros em uma mistura de substratos selecionados . Esse equilíbrio envolve características qualitativas e quantitativas dos resíduos provenientes de diferentes fontes. O caráter quantitativo de um componente individual indiretamente influencia na qualidade da mistura (Montusiewicz et ai., 20Ό8).

Vários pesquisadores têm estudado a codigestão anaeróbia de lodo de esgoto com a fração orgânica de resíduos sólidos urbanos ou com resíduos agrícolas, citando melhoria no rendimento de CH ₄ (Angelidaki & Ellegaard, 2003; Bolzonella et ai, 2006.; GÓMEZ et al, 2006;. Pavan et al, 2007;. Macias-Corral et al, 2008;. Romano & Zhang, 2008). Portanto, a codigestão anaeróbia de resíduos e de lodo pode ser considerada uma solução sustentável para pequenos sistemas de tratamento de águas residuais em áreas rurais, onde vários tipos diferentes de bio- resíduos estão disponíveis para aumentar a produção de biogás (Pavan et al. 2007).

Além de rendimentos mais elevados de biogás, devido a efeitos sinérgicos positivos sobre os microrganismos, há outros benefícios da codigestão (Cecchi et al, 1996.; Mata-Alvarez et al., 2000; Sosnowski et al., 2003; Murto et al., 2004; Montusiewicz et al, 2008), entre eles, podemos citar: diluição de substâncias tóxicas provenientes de qualquer um dos substratos envolvidos;

- melhor equilíbrio de nutrientes;

- redução da deficiência de micro e macronutrientes ;

- melhor estabilidade do processo;

co-substrato também pode ajudar a estabelecer o conteúdo de umidade exigido pelo digestor (mistura de resíduos sólidos com o lixo diluído, ou lixo e lodo de ETE, por exemplo) .

Os co-substratos ricos em lipídios, proteínas e carboidratos são essenciais para os digestores anaeróbios, mas podem levar a distúrbios, se não forem utilizadas as quantidades adequadas. Pesquisadores em todo o mundo estão colocando um grande esforço na melhoria da produção de metano, avaliando todos os tipos de resíduos, a fim de reforçar as sinergias entre os diferentes substratos. De fato, o desempenho de um processo de digestão anaeróbia tem demonstrado ser muito dependente do tipo e da composição do' material a ser digerido. Há alguns exemplos de sucesso a respeito da mistura de resíduos orgânicos na digestão anaeróbia. A literatura cita a codigestão de esterco de gado com resíduos de frutas, vegetais e esterco de frango, alem de experimentos utilizando codigestão de polpa de sisal e resíduos de peixes. Nesse ultimo caso, a pesquisa mostrou um aumento 59-94% no rendimento da produção CH4, em comparação com polpa de sisal e resíduos de peixe isolados (Callaghan et al., 2002; Mshandete et al., 2004). Além disso, Bolzonella et al. (2006) apresentou os resultados de duas aplicações em larga escala do processo de codigestão anaeróbia de resíduos de lodos ativados em conjunto com resíduos orgânicos, aumentando em 50% a produção de biogás.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A codigestão, inicialmente pensada para ampliar a produção de biogás, é uma alternativa interessante por aproveitar um processo biológico e evitar a emissão de poluentes. Entre a diversidade de resíduos que podem ser submetidos ao processo, a aplicação de substâncias químicas do grupoHidroxila, Tionila, Acila, Cetona, Éter, entre outros, entre outras, tem se mostrado promissor no que diz respeito ao aumento da geração de biogás.

O glicerol consiste em um composto orgânico, co-produto da produção de substâncias químicas dos grupos funcionais Hidroxila, Tionila, Acila, Cetona, Éter, entre outros, e é comum na industria de produção de biocombustíveis, por exemplo no biodiesel, equivalente a aproximadamente 12% do total produzido, com o aumento da produção passou ser um resíduo no mundo inteiro. As aplicações químicas e farmacêuticas tradicionais hoje são insuficientes para absorver a oferta de 1,8 bilhão de litros anuais (ANP, 2009a; EBB, 2009; NBB, 2009), em 2009, o ^' que representa 7,5 vezes o mercado norte americano. A primeira pesquisa experimental no Brasil foi o estudo de caso de uma dissertação da UESC (ROBRA, 2008) e que acabou agraciada pelo Prémio PETROBRAS de Tecnologia. Neste experimento foram realizadas misturas de 5%, 10% e 15% de químicas dos grupos funcionais Hidroxila, Tionila, Acila, Cetona, Éter, entre outros a esterco bovino e abastecidos reatores anaeróbicos diariamente. Os resultados mostraram que a mistura de 5% foi a mais eficiente, pois permitiu o aumento de 207% na vazão de biogás, com 10% de aumento no teor de metano.

Este excelente resultado motivou nosso grupo de pesquisa em aproveitamento energético de resíduos urbanos, que vem trabalhando no aumento da eficiência de sistemas de incineração de lixo urbano consorciado a gás natural - e, dada a característica de difícil logística do gás, além de sua contribuição para o efeito estufa, a tentar substituí-lo pelo biogás de esgoto, mas cuja vazão natural só é capaz de abastecer metade da demanda -, a realizar um teste substituindo o esterco bovino por lodo.

A empresa ECO 100 Desenvolvimento Sustentado Ltda. e seus parceiros desenvolveram rotas tecnológicas para aproveitamento de produtos químicos, tais como as químicas dos grupos funcionais Hidroxila, Tionila, Acila, Cetona, Éter, entre outros, com os objetivos supracitados. Esses desenvolvimentos foram validados a partir da contratação de ensaios técnicos realizados pelo Grupo de Resíduos Sólidos da UFPE. Os ensaios realizados na UFPE produziram laudos técnicos de um agente independente que confirmou os benefícios do uso das substâncias químicas protegidas nesta patente com vistas a promover a redução do tempo de retenção ou do tempo necessário para tratar a substância, em misturas com efluentes ricos em matéria orgânica e/bu lixo orgânico com adição de produtos químicos, tais como substâncias químicas dos grupos funcionais Hidroxila, Tionila, Acila, Cetona, Éter, entre outros, em efluentes e resíduos, em biodigestores, estações de tratamento de esgoto, estações de tratamento de resíduos urbanos, industriais e unidades de tratamento de resíduos da agroindústria ou criação de animais, com uso de diferentes proporções conforme o objetivo, que pode ser a aceleração do processo de biodegradação, redução do tempo de residência, diminuição da área de plantas de tratamento, tratamento de resíduos químicos dos grupos funcionais Hidroxila, Tionila, Acila, Cetona, Éter, entre outros e/ou aumento da geração de biogás . Etapa binária

Foram realizados experimentos com mistura binária (glicerol e lodo) e foi observado que quando adicionadas diferentes proporções de substâncias químicas dos grupos funcionais Hidroxila, Tionila, Acila, Cetona, Éter, entre outros em relação ao lodo, na faixa de 5 a 35%, houve elevação de 50 a 75% na vazão de biogás, no decorrer de 60 dias - inclusive, com efeito interessante para o saneamento, que é a aceleração do processo de digestão anaeróbia que praticamente estabiliza em 20% do prazo.

Etapa ternária

Com base nesses resultados foram realizados experimentos utilizando mistura ternária (lixo, lodo e glicerol) em proporções de 3 a 20%, com aumento na vazão de biogás de, em média, 85%. Os resultados apresentados reforçam a viabilidade do processo e as vantagens da aplicação dessa técnica em escala comercial, uma vez que possibilita o uso em ampla aplicação (digestores secos, úmidos, horizontais, verticais, etc), aumento da velocidade de decomposição, aumento da oferta de biogás, redução da dimensão dos reatores e, consequentemente, do seu investimento. As temperaturas de ativação da solução variam de 25 a 80°C, com início de atividade de degradação a 25°C, atingindo pontos ótimos de aproveitamento na faixa de 32 a 45 ^a C e drástica diminuição da atividade de degradação a partir de 70 a 95°C.

A digestão anaeróbia é um processo de dois estágios: hidrólise/acetogênese e metanogênese . Em sistemas de escala real, as plantas podem adotar processos de estágio único, multiestágio e batelada (GALLERT et al . , 2003). Embora nos processos multiestágio, teoricamente, seja possível consiguir melhores eficiências e maior geração de biogás, na prática a grande maioria das plantas européias é do tipo simples estágio. Os sistemas podem ainda ser de baixo (TS < 15 %) ou de alto teor de sólidos (22 < TS < 40 %) utilizar processos úmidos ou secos e ainda ser vertical ou horizontal. Os principais parâmetros de controle do processo de digestão anaeróbia de lodo de ETE em biodigestores são: a composição dos substratos (glicerol, lodo ou lixo) , em especial os sólidos voláteis; a taxa de alimentação; pH; temperatura (sistemas mesofilicos e termofilicos ) ; relação C/N; tempo de residência da massa no reator e mistura no interior do reator (REICHERT, 2005) .

A Taxa de Alimentação ou Taxa de Carga Orgânica (TCO) é a medida da capacidade de conversão biológica de um sistema de digestão anaeróbica. A alimentação do sistema acima da TCO sustentável poderá resultar em baixa produção de biogás, devido ao acumulo de substâncias inibitórias como ácidos graxos no interior do digestor. Nestes casos, deve-se reduzir a taxa de alimentação do sistema, ou seja, a quantidade de substrato adicionada, como por exemplo, a proporção de glicerol adicionada em relação ao lodo dentro do biodigestor . relação C/N representa a relação entre as quantidades de carbono, e de nitrogénio presentes na matéria orgânica. O valor ótimo para relação C/N está entre 20 e 30. Compostos de carbono fornecem a energia e compostos nitrogenados fornecem o nitrogénio.

Uma relação C/N alta é uma indicação do rápido consumo de nitrogénio pelas bactérias metanogênicas , que resulta numa baixa produção de biogás. O glicerol, (propano- 1,2,3-triol) por ser um composto orgânico, contribui com a quantidade de carbono no sistema, fornecendo energia e aumentando a produção de biogás.

Outro parâmetro importante é que durante a digestão, os dois processos, de acidificação e de metanogênese, requerem valores diferentes de pH para controle dos seus processos. O tempo de retenção afeta o pH da massa em digestão. O monitoramento deste parâmetro deve ser realizado antes da adição do glicerol, para garantir o melhor funcionamento do sistema.

0 tempo de retenção requerido para a ocorrência completa das reações de digestão anaeróbia nos reatores varia com as diferentes tecnologias, temperaturas do processo, e composição dos resíduos. O tempo de retenção para tratamento de resíduos em processos mesofilicos varia de 10 a 40 dias. Na faixa termofílica são requeridos menores TDH (O QUE SIGNIFICA???), o mesmo que ocorre com a adição de glicerol em biodigestores contendo lodo ou lixo, uma vez que aceleram a codigestao, devido à quantidade de carbono adicionada ao sistema, diminuindo o tempo necessário para completar o processo.

Para que as reações dentro do biodigestor ocorram adequadamente, também é necessário colocar os resíduos em contato com os microrganismos presentes na massa já digerida, através da mistura no interior do reator. Como o glicerol possui algumas propriedades químicas que favorecem a codigestao, tais como ser miscível com a água, é possível adquirir a homogeneidade dos substratos dentro do sistema, acelerando o processo e facilitando o funcionamento do biodigestor.

O tipo de equipamento e o nível de mistura dependem do tipo de reator e do teor de sólidos contidos na massa de resíduos. Sistema de mistura no interior do reator pode ocorrer de diversas formas, tais como recirculação do biogás aquecido e a alta pressão pela base do reator; recirculação do material sólido em digestão; recirculação do líquido do reator; recirculação do biogás pela base e rotação do cilindro.

Dentro do digestor, a massa é diluída para obter o conteúdo de sólidos desejado, e permanece no interior do reator por um determinado tempo de retenção. Para a diluição, pode ser utilizado água, lodo de esgoto, esgoto doméstico, ou a recirculação do líquido efluente do reator. Um trocador de calor é usualmente requerido para manter a temperatura desejada. Em caso do efluente do digestor estar com umidade muito elevada, faz-se necessário um processo de secagem do mesmo. 0 biossólido resultado final do processo de biodegradacao dentro do biodigestor, deve ser maturado aerobiamente e poderá ser obtido um composto de qualidade que, sendo testado, poderá ser utilizado como fertilizante.

A viabilidade do processo de utilização do glicerol em biodigestores , que incorpora as vantagens da aplicação dessa técnica em escala comercial, está relacionada à ampla aplicação (biodigestores secos, úmidos, horizontais, verticais, batelada, continuo, etc), aumento da velocidade de decomposição, aumento da oferta de biogás, redução da dimensão dos reatores e, consequentemente, do seu investimento.

As condições ideais para a biodigestão envolvem a agitação de 10 a 500 rpm, preferencialmente de 30 a 150 rpm. Um prémisturador pode ser utilizado, para garantir uma melhor homogeneidade do aditivo na massa a ser tratada. Essa homogeneidade pode ser obtida através de dispositivo de agitação mecânica, sendo o melhor dispositivo o garfo de 2 dentes por evitar o enrolamento de materiais filamentosos no eixo de giro; porém, outros tipos de agitadores podem ser empregados, inclusive a agitação por borbulhamento, em caso de câmara fechada, podendo-se utilizar o próprio gás do biodigestor para fazer o borbulhamento, reaproveitando~o ao final do processo. O pré-misturador tem a função de fornecer uma quantidade ideal de aditivo para cada objetivo descrito nesta patente. Este possui um volume entre 1 e 15% do volume do biodigestor que alimenta, podendo contar com conexão a um tanque reserva que permite o regular abastecimento dos sistemas de tratamento. Essa linha de alimentação do pré-misturador e o biodigestor devem conter uma válvula para permitir a dosagem e vazão a ser alimentada, esta válvula também deve ser capaz de permitir o corte da alimentação de modo a se poder alternar o tipo de operação de continuo para batelada. Além dessa válvula de operação, deve haver uma válvula de segurança para permitir a manutenção da válvula de operação. A transferência dos materiais do prémisturador ao biodigestor pode ser feita através de gravidade ou de bombas de deslocamento positivo.

Alternativamente, a mistura pode se dar dentro do próprio biodigestor, caso em que é necessário as matérias primas serem fornecidas separadamente, em linhas de alimentação diferentes. Essas linhas devem possuir em suas cabeceiras os respectivos tanques de diluição de modo a se obter misturas com viscosidade adequada para operação das bombas dosadoras. Para essa configuração é interessante promover uma diluição prévia de cada substrato no biodigestor de modo a permitir que as bombas dosadoras possam alimentar o biodigestor com vazões precisas. Ambas as linhas de alimentação devem conter uma válvula para permitir a dosagem e vazão a ser alimentada, esta válvula também deve ser capaz de permitir o corte da alimentação de modo a se poder alternar o tipo de operação de continuo para batelada. Além dessa válvula de operação, deve haver uma válvula de segurança, para permitir a manutenção da válvula de operação.

Todos os equipamentos mencionados acima, se alimentados por energia elétrica, devem possui dispositivos anticentelha, pois devido a possíveis vazamentos a atmosfera pode se tornar inflamável.

Estes resultados, para o interesse em aproveitamento energético, representam uma oportunidade significativa em utilizar substâncias químicas dos grupos funcionais Hidroxila, Tionila, Acila, Cetona, Éter, entre outros e o esgoto como principal fonte de gás a ser consorciado a sistemas de tratamento de lixo, viabilizando o aproveitamento energético dos efluentes do saneamento independentemente dos combustíveis fósseis - o que acarreta maior disponibilidade de gás e de créditos de carbono e matéria orgânica tratada, por isto, maior possibilidade de viabilizar financeiramente o empreendimento .