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Geração de biogás da vinhaça com um novo tipo de reator anaeróbio

Por Mark Silvius, Jaap Vogelaar e Sérgio Cruz

Em setembro de 2015, um reator de demonstração recém-desenvolvido pela empresa Paques foi instalado em uma destilaria brasileira para produzir biogás a partir da biodigestão da vinhaça. Após 2 meses de operação, os resultados obtidos são promissores e o sistema ainda está em andamento.

A Paques é uma empresa privada fundada em 1960 na Holanda e especializada no tratamento anaeróbico de efluentes e na dessulfurização biológica de biogás e outros gases. A Paques possui mais de 1000 reatores anaeróbias e mais de 180 sistemas de purificação de biogás instalados em mais de 60 países. A primeira planta anaeróbica na indústria sucroalcooleira foi instalada em 1984. Desde então, a Paques forneceu 87 reatores anaeróbios para o setor.

Biodigestão anaeróbia da vinhaça
A vinhaça de destilarias brasileiras usando caldo de cana e/ou melaço de cana é rica em nutrientes como nitrogênio, fósforo e potássio e normalmente é aplicada sobre as plantações de cana (fertirrigação). Além destes nutrientes, a vinhaça contém compostos orgânicos (ácidos orgânicos, álcoois, glicerol, etc) que podem ser convertidos em metano (biogás) por bactérias anaeróbias. Isto significa que a vinhaça é uma fonte de energia renovável. Através da produção de energia renovável de vinhaça, destilarias podem melhorar a sua economia e contribuir para um ambiente sustentável. O biogás produzido pode ser usado em caldeiras (substituindo o bagaço), motores estacionários para gerar energia elétrica ou como combustível na frota de caminhões e tratores (substituindo o diesel).

A quantidade de biogás que pode ser produzido a partir de 1 m³ de vinhaça varia entre 7 e 15 Nm3. Isso corresponde a 37~78 kW de energia térmica ou 17~37 kW de energia elétrica. A produção de biogás depende da concentração de DQO na vinhaça. A concentração de DQO (demanda química de oxigênio) é uma medida analítica utilizada para quantificar os compostos orgânicos na vinhaça. O resultado desta medida é expressa em mg/l de oxigênio, que é a quantidade de oxigênio necessária para oxidar quimicamente todos os compostos orgânicos a água e dióxido de carbono. A concentração de DQO na vinhaça depende predominantemente da matéria-prima utilizada. No Brasil, caldo de cana ou caldo de cana misturado com melaço são normalmente usados como matéria-prima.

A geração de biogás a partir da biodigestão da vinhaça em reatores anaeróbios não é algo novo e já foi realizada com sucesso no passado. O primeiro reator anaeróbio UASB da Paques no Brasil foi instalado na Usina São João, em São João da Boavista, interior de São Paulo. Este reator UASB foi instalado em 1986 para tratar 33% da vinhaça gerada pela usina e o biogás foi purificado e utilizado como combustível da frota de caminhões da usina. Este reator UASB foi operado com sucesso por 10 anos até o projeto ser encerrado devido a mudanças na legislação que incentivava o uso do biogás como combustível pelas usinas.

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Reator UASB instalado em 1986 na Usina São João

Normalmente, as tecnologias aplicadas para o tratamento anaeróbio da vinhaça são reatores UASB, digestores convencionais e lagoas cobertas. Todos estes caracterizam-se pela baixa taxa de aplicação, o que significa que um volume muito grande de reator (ou lagoa) é necessário para cada m3 de vinhaça a ser tratada. Considerando-se uma vinhaça com concentração de DQO de 30 g/l, o volume de reator necessário para cada 1 m3/dia de vinhaça a ser tratada pode variar de ~ 3 m3 (UASB) até ~ 15m3 para uma lagoa.

Nos últimos anos foram desenvolvidos novos tipos de reatores anaeróbios, que caracterizam-se por maiores taxas de aplicação, o que significa menor volume de reator para tratar a mesma quantidade de DQO. O mais recente biorreator desenvolvido pela Paques é o reator BIOPAQ®ICX, que já tem demonstrado excelentes resultados em cinco projetos pilotos em setores diferentes. Os dois primeiros reatores ICX em escala industrial foram iniciados com sucesso em 2015.

O BIOPAQ®ICX demonstra ser bem apropriado para o tratamento da vinhaça. Desde setembro um reator ICX de demonstração com 80 m3 de volume está sendo testado em uma destilaria brasileira usando caldo de cana misturado com melaço. A capacidade máxima de conversão ainda não foi atingida, mas já ultrapassa 20 kg de DQO por m3 de volume de reator, o que significa que para cada 1 m3/dia da vinhaça a ser tratada, menos de 1,5 m3 de volume do reator é necessário, assumindo-se uma concentração de DQO de 30 g/l. Isto significa que o volume do reator será duas vezes menor comparado a um UASB e 10 vezes menor comparado a uma lagoa coberta.

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Reator de demonstração BIOPAQ®ICX instalado em destilaria no Brasil

O efluente a ser tratado (1) é bombeado para a linha de alimentação do reator, onde é misturado com a biomassa e com o efluente recirculado que é bombeado a partir do separador de biomassa (4) pela bomba de recirculação. A mistura de efluente recirculado e efluente bruto é bombeada para o reator através do sistema de distribuição (2). Este sistema garante uma distribuição uniforme do efluente no fundo do reator e ao mesmo tempo favorece a mistura. O efluente recirculado produz alcalinidade, evitando flutuações de pH e também dilui a DQO do influente, criando condições ideais para a biomassa.

Após o efluente é distribuído na parte inferior, ele flui para cima no reator, passando através do leito expandido de biomassa, onde os componentes orgânicos são convertidos em biogás pelas bactérias do lodo granulado. As bolhas de biogás sobem para o headspace do reator. O biogás produzido é coletado no headspace do reator e sai através da saída de biogás (5).

O efluente final (6) sai do reator depois de passar por um separador de gás e por um separador de biomassa. Isso garante a retenção completa da biomassa dentro do reator.

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Reator BIOPAQ ® ICX

As principais características do BIOPAQ®ICX são:
• Design modular que se encaixa em uma ampla gama de tamanhos de tanque. Isto torna possível instalar o BIOPAQ®ICX em tanques existentes;
• Taxa de aplicação elevada devido à alta concentração de biomassa e alto nível de biomassa no reator;  Sem emissões de odor devido ao fato de ser completamente fechado, sendo portanto apropriado para áreas urbanas;
• Excelente retenção de biomassa em 2 estágios. Há produção de biomassa, e não perda;
• Bicos para limpeza do separador de biomassa, o que significa baixa necessidade de manutenção e nenhum risco de entupimento.

Dessulfurização do biogás

A vinhaça normalmente contém altas quantidades de sulfato, devido ao uso de ácido sulfúrico durante o processo de produção de etanol. Durante o processo de biodigestão, o sulfato é convertido a sulfeto no reator anaeróbio, o que resulta em uma quantidade significativa de sulfeto de hidrogênio (H2S) no biogás. O sulfeto de hidrogênio é extremamente corrosivo e precisa ser retirado do biogás antes que o mesmo possa serutilizado em uma caldeira ou motor. Para a remoção do H2S do biogás a Paques desenvolveu a tecnologia THIOPAQ ®, equipamento que dessulfuriza biologicamente o biogás, e que já possui mais de 180 unidades vendidas.

O THIOPAQ ® consiste basicamente de um lavador de gases e um bioreator. O biogás contendo H2S é lavado em contrafluxo do lavador de gases, que é preenchido com mídia de suporte. Para a lavagem, uma solução alcalina é pulverizada sobre a mídia de suporte na parte superior do depurador, entrando em contato com o biogás. O sulfeto de hidrogênio passa então da fase gasosa para a fase líquida e o biogás tratado deixa o lavador de gases.

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Dessulfurizador biológico THIOPAQ ®

A solução alcalina contendo sulfeto flui por gravidade do lavador para o biorreator, onde entra em contato com bactérias específicas que, na presença de oxigênio, convertem o sulfeto a enxofre elementar. A água de lavagem regenerada do biorreator é então conduzida de volta ao lavador para remover o H2S do biogás.

O enxofre formado no biorreator é descarregado através de um tanque de sedimentação, deixando o sistema como um lodo de enxofre concentrado de alta pureza, que pode ser utilizado como fertilizante ou fungicida.

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