Como obter biogás a partir do esterco: visão geral dos princípios básicos e do funcionamento da instalação de produção

As propriedades rurais enfrentam anualmente o problema da eliminação do esterco. Investem-se recursos consideráveis para organizar sua remoção e despejo, mas que acabam se perdendo. No entanto, existe uma maneira de não apenas economizar dinheiro, mas também fazer com que este produto natural trabalhe a seu favor.

Proprietários prudentes já utilizam na prática a ecotecnologia que permite obter biogás a partir do esterco e usar o resultado como combustível.

Portanto, neste artigo falaremos sobre a tecnologia de produção de biogás e também explicaremos como construir uma instalação bioenergética.

Vantagens do uso de biotecnologias

A tecnologia de obtenção de biocombustível a partir de diversas fontes naturais não é nova. As pesquisas nessa área começaram no final do século XVIII e se desenvolveram com sucesso no século XIX. Na União Soviética, a primeira instalação bioenergética foi criada nos anos quarenta do século passado.

As biotecnologias são utilizadas há muito tempo em muitos países, mas é justamente hoje que adquirem especial importância. Devido à deterioração da situação ambiental no planeta e ao alto custo dos recursos energéticos, muitos voltam seus olhares para fontes alternativas de energia e calor.

A tecnologia de transformação de esterco em biogás permite reduzir a quantidade de emissões nocivas de metano na atmosfera e obter uma fonte adicional de energia térmica.

Sem dúvida, o esterco é um fertilizante muito valioso e, se na propriedade houver duas vacas, não há problemas com seu uso. Outra situação é quando se trata de fazendas com rebanho grande e médio, onde toneladas de material biológico fétido e em decomposição são geradas por ano.

Para que o esterco se transforme em um fertilizante de qualidade, são necessárias áreas com determinado regime de temperatura, o que representa despesas adicionais. Por isso, muitos agricultores o armazenam onde for possível e depois o transportam para os campos.

Dependendo do volume de matéria-prima gerado por dia, deve-se escolher as dimensões da instalação e o grau de automação.

Se as condições de armazenamento não forem respeitadas, até 40% do nitrogênio e a maior parte do fósforo evaporam do esterco, o que piora significativamente seus indicadores de qualidade. Além disso, o gás metano é liberado na atmosfera, exercendo um impacto negativo sobre a situação ambiental do planeta.

As biotecnologias modernas permitem não apenas neutralizar o impacto nocivo do metano sobre o meio ambiente, mas também fazê-lo servir ao benefício do homem, obtendo assim um ganho econômico considerável. Como resultado do processamento de esterco, forma-se biogás, do qual podem ser obtidos milhares de kW de energia, e os resíduos da produção constituem um fertilizante anaeróbico muito valioso.

Mecanismo de formação de gás a partir de matéria orgânica

O biogás é uma substância volátil, incolor e inodora, que contém até 70% de metano. Em termos de qualidade, aproxima-se do tipo tradicional de combustível – o gás natural. Possui bom poder calorífico: 1 m³ de biogás libera tanto calor quanto a queima de um quilo e meio de carvão.

Devemos a formação do biogás às bactérias anaeróbicas, que trabalham ativamente na decomposição da matéria orgânica, como esterco de animais de fazenda, excrementos de aves e resíduos de quaisquer plantas.

Na produção caseira de biogás, podem ser usados excrementos de aves e produtos da atividade de animais domésticos de pequeno e grande porte. A matéria-prima pode ser utilizada pura ou em mistura com grama, folhas e papel velho.

Para ativar o processo, é necessário criar condições favoráveis para a atividade das bactérias. Elas devem ser semelhantes àquelas em que os microrganismos se desenvolvem em um reservatório natural – no estômago dos animais, onde é quente e não há oxigênio.

Na verdade, essas são as duas condições principais que contribuem para a transformação milagrosa da massa de esterco em decomposição em combustível ecológico e fertilizantes valiosos.

Para obter biogás, é necessário um reator hermético sem acesso de ar, onde ocorrerá o processo de fermentação do esterco e sua decomposição em componentes:

• metano (até 70%);
• dióxido de carbono (aproximadamente 30%);
• outras substâncias gasosas (1-2%).

Os gases formados sobem para o topo do tanque, de onde são bombeados, e no fundo se deposita o produto residual – um fertilizante orgânico de alta qualidade, que após o processamento retém todos os nutrientes valiosos presentes no esterco – nitrogênio e fósforo, e perde a maior parte dos microrganismos patogênicos.

O reator para produção de biogás deve ter uma construção completamente hermética, sem oxigênio; caso contrário, o processo de decomposição do esterco será extremamente lento.

A segunda condição importante para a decomposição eficaz do esterco e a formação de biogás é a manutenção da temperatura. As bactérias envolvidas no processo são ativadas a partir de +30 graus.

Além disso, o esterco contém dois tipos de bactérias:

• Mesófilas. Sua atividade ocorre a temperaturas de +30 a +40 graus;
• Termófilas. Para sua reprodução, é necessário manter uma temperatura de +50 (+60) graus.

O tempo de processamento da matéria-prima em instalações do primeiro tipo depende da composição da mistura e varia de 12 a 30 dias. Nesse caso, 1 litro de área útil do reator produz 2 litros de biocombustível. Ao usar instalações do segundo tipo, o tempo de produção do produto final é reduzido para três dias, e a quantidade de biogás aumenta para 4,5 litros.

A eficiência das instalações termófilas é visível a olho nu, porém o custo de sua manutenção é muito alto, portanto, antes de escolher um ou outro método de obtenção de biogás, é necessário calcular tudo minuciosamente.

Embora a eficiência das instalações termófilas seja dezenas de vezes maior, elas são usadas com muito menos frequência, pois a manutenção de altas temperaturas no reator envolve grandes despesas.

A manutenção e conservação de instalações do tipo mesófilo é mais barata, por isso a maioria das fazendas utiliza essas para obter biogás.

O biogás, em termos de potencial energético, é ligeiramente inferior ao combustível gasoso convencional. No entanto, contém vapores de ácido sulfúrico, cuja presença deve ser considerada ao escolher materiais para a construção da instalação.

Cálculos de eficiência do uso de biogás

Para avaliar todas as vantagens do uso de biocombustíveis alternativos, cálculos simples ajudam. Uma vaca de 500 kg produz cerca de 35-40 kg de esterco por dia. Essa quantidade é suficiente para obter cerca de 1,5 m³ de biogás, a partir do qual, por sua vez, podem ser gerados 3 kWh de eletricidade.

Usando os dados da tabela, é fácil calcular quantos m³ de biogás podem ser obtidos na saída, de acordo com o rebanho disponível na fazenda.

Para obter biocombustível, pode-se usar tanto um tipo de matéria-prima orgânica quanto misturas de vários componentes com umidade de 85-90%. É importante que não contenham impurezas químicas estranhas que afetem negativamente o processo de processamento.

A receita de mistura mais simples foi inventada em 2000 por um agricultor russo da região de Lipetsk, que construiu com as próprias mãos uma instalação simples para produzir biogás. Ele misturava 1500 kg de esterco bovino com 3500 kg de resíduos de várias plantas, adicionava água (cerca de 65% do peso de todos os ingredientes) e aquecia a mistura a 35 graus.

Em duas semanas, o combustível gratuito estará pronto. Esta pequena instalação produzia 40 m³ de gás por dia, o que era suficiente para aquecer a casa e as dependências por meio ano.

Opções de instalações para produção de biocombustível

Após realizar os cálculos, é necessário decidir como fabricar uma instalação para obter biogás de acordo com as necessidades da sua propriedade. Se o número de cabeças de gado for pequeno, a opção mais simples, que pode ser fabricada com materiais disponíveis pelas próprias mãos, será adequada.

Para grandes fazendas que possuem uma fonte constante de grande quantidade de matéria-prima, é recomendável construir um sistema de biogás industrial automatizado. Neste caso, dificilmente será possível prescindir da contratação de especialistas que desenvolverão o projeto e montarão a instalação em nível profissional.

O diagrama mostra claramente como funciona um complexo industrial automatizado para obtenção de biogás. A construção em tal escala pode ser organizada por várias fazendas localizadas nas proximidades.

Hoje existem dezenas de empresas que podem oferecer diversas opções: desde soluções prontas até o desenvolvimento de um projeto individual. Para reduzir o custo da construção, é possível cooperar com fazendas vizinhas (se houver por perto) e construir uma única instalação para todos para obtenção de biogás.

Deve-se notar que para a construção, mesmo de uma instalação pequena, é necessário providenciar os documentos apropriados, elaborar um esquema tecnológico, um plano de disposição dos equipamentos e ventilação (se o equipamento for instalado em ambiente fechado), e passar pelos procedimentos de aprovação com o SES, a inspeção de incêndio e de gás.

Uma mini-usina de produção de gás para atender as necessidades de uma pequena propriedade particular pode ser feita manualmente, com base no design e nas especificações das instalações produzidas em escala industrial.

Os projetos de instalações para processamento de esterco e matéria orgânica vegetal em biogás não são complexos. O original produzido pela indústria serve perfeitamente como modelo para a construção da sua própria mini-usina.

Os artesãos independentes que decidirem construir sua própria instalação precisam dispor de um recipiente para água, tubos plásticos de água ou esgoto, curvas de ângulo, vedantes e um cilindro para armazenar o gás obtido na instalação.

Características do sistema de biogás

Uma instalação completa de biogás consiste em um sistema complexo, composto por:

1. Biorreator, onde ocorre o processo de decomposição do esterco;
2. Sistema automatizado de alimentação de resíduos orgânicos;
3. Dispositivo para mistura da biomassa;
4. Equipamento para manutenção da temperatura ideal;
5. Gasômetro – tanque de armazenamento de gás;
6. Receptor de resíduos sólidos processados.

Todos os elementos acima são instalados em unidades industriais que operam em modo automático. Os reatores domésticos geralmente têm uma construção mais simplificada.

O esquema apresenta os principais componentes de um sistema automatizado de biogás. O volume do reator depende da entrada diária de matéria-prima orgânica. Para o funcionamento adequado da instalação, o reator deve ser preenchido até dois terços do volume.

Princípio de funcionamento da instalação

O elemento principal do sistema é o biorreator. Existem várias opções de construção; o principal é garantir a estanqueidade da estrutura e evitar a entrada de oxigênio. Pode ser feito como um tanque metálico de vários formatos (geralmente cilíndrico), localizado na superfície. Frequentemente, são usados tanques vazios de combustível de 50 metros cúbicos para esse fim.

É possível adquirir recipientes prontos de estrutura desmontável. Sua vantagem é a possibilidade de desmontagem rápida e, se necessário, transporte para outro local. Instalações industriais de superfície são adequadas para grandes propriedades onde há um fluxo constante de grandes quantidades de matéria-prima orgânica.

Para pequenas propriedades, a opção de colocar o tanque subterrâneo é mais adequada. O compartimento subterrâneo é construído de tijolo ou concreto. É possível enterrar recipientes prontos, como barris de metal, aço inoxidável ou PVC. Também é possível colocá-los na superfície, ao ar livre ou em uma sala especialmente designada com boa ventilação.

Para construir uma instalação de produção de biogás, é possível adquirir recipientes prontos de PVC e instalá-los em uma sala equipada com sistema de ventilação.

Independentemente de onde e como o reator é colocado, ele é equipado com um compartimento para carga de estrume. Antes de carregar a matéria-prima, ela deve passar por preparação preliminar: é triturada em frações de no máximo 0,7 mm e diluída com água. Idealmente, a umidade do substrato deve ser de cerca de 90%.

Instalações automatizadas de tipo industrial são equipadas com um sistema de alimentação de matéria-prima, que inclui um receptor onde a mistura é levada à umidade necessária, uma tubulação para fornecimento de água e uma bomba para transferir a massa para o biorreator.

Em instalações domésticas, recipientes separados são usados para preparar o substrato, onde os resíduos são triturados e misturados com água. Em seguida, a massa é carregada no compartimento receptor. Em reatores subterrâneos, o compartimento para receber o substrato é levado para fora, e a mistura preparada flui por gravidade através de uma tubulação para a câmara de fermentação.

Se o reator estiver colocado no solo ou em uma sala, o tubo de entrada com o dispositivo receptor pode estar localizado na parte lateral inferior do recipiente. Também é possível levar o tubo para a parte superior e colocar um funil em seu gargalo. Nesse caso, a biomassa terá qe ser alimentada por meio de uma bomba.

No biorreator, também é necessário prever uma saída, que é feita praticamente no fundo do recipiente, no lado oposto ao compartimento de entrada. Na instalação subterrânea, o tubo de saída é inclinado para cima e leva a um receptor de resíduos com forato de caixa retangular. Sua borda superor deve estar abaixo do nível da abertura de entrada.

Os tubos de entrada e saída são inclinados para cima em lados iferentes do recipente, e o tanque de compensação, para one vão os resídus, deve estar abaixo do compartimento reector.

O processo ocorre da seguinte forma: o funil de entrada recebe um novo lote de substrato, que escoa para o reator, ao mesmo tempo que a mesma quantidade de massa já processada é elevada por um tubo até o receptáculo de resíduos, de onde posteriormente é retirada e utilizada como biofertilizante de alta qualidade.

O armazenamento do biogás é realizado em um gasômetro. Na maioria das vezes, ele fica diretamente no topo do reator e tem formato de cúpula ou cone. É fabricado em chapa de cobertura e, em seguida, para evitar processos de corrosão, é pintado com várias camadas de tinta a óleo.

Em instalações industriais, projetadas para a produção de grandes quantidades de gás, o gasômetro é frequentemente construído como um tanque autônomo, conectado ao reator por uma tubulação.

O gás obtido pela fermentação não é adequado para uso, pois contém grande quantidade de vapor d'água, e nesse estado não queimará. Para purificá-lo das frações de água, o gás é passado por um selo d'água. Para isso, uma tubulação é retirada do gasômetro, por onde o biogás entra em um recipiente com água, e de lá, por um tubo de plástico ou metal, é fornecido aos consumidores.

Esquema de uma instalação subterrânea. As aberturas de entrada e saída devem estar em lados opostos do tanque. Acima do reator há um selo d'água, através do qual o gás produzido é passado para secagem.

Em alguns casos, para armazenamento de gás, são utilizados sacos-gasômetros especiais, fabricados em policloreto de vinila. Os sacos são colocados próximos à instalação e gradualmente preenchidos com gás. À medida que enchem, o material elástico se expande e o volume dos sacos aumenta, permitindo, se necessário, armazenar temporariamente uma quantidade maior do produto final.

Condições para o funcionamento eficiente do biorreator

Para o funcionamento eficiente da instalação e a produção intensiva de biogás, é necessária uma fermentação uniforme do substrato orgânico. A mistura deve estar em movimento constante. Caso contrário, forma-se uma crosta, o processo de decomposição diminui e, no final, a quantidade de gás produzida é menor do que o inicialmente previsto.

Para garantir a mistura ativa da biomassa, na parte superior ou lateral do reator típico são instalados agitadores do tipo submersível ou inclinado, equipados com acionamento elétrico. Em instalações caseiras, a mistura é feita mecanicamente por meio de um dispositivo semelhante a um mixer doméstico. Ele pode ser operado manualmente ou equipado com acionamento elétrico.

Com o reator na posição vertical, a alça do agitador é levada para a parte superior da instalação. Se o tanque estiver instalado horizontalmente, a rosca também fica no plano horizontal e a alça fica na lateral do biorreator.

Um dos principais requisitos para obter biogás é manter a temperatura necessária no reator. O aquecimento pode ser feito de várias maneiras. Em instalações fixas, são utilizados sistemas de aquecimento automatizados, que são ativados quando a temperatura cai abaixo do nível definido e desligados quando a temperatura necessária é atingida.

Para aquecimento, você pode usar caldeiras a gás, aquecer diretamente com aparelhos elétricos de aquecimento ou incorporar um elemento de aquecimento na base do tanque.

Para reduzir a perda de calor, é recomendável construir uma pequena estrutura ao redor do reator com uma camada de lã de vidro ou cobrir a instalação com isolamento térmico. O poliestireno expandido e suas outras variedades possuem boas propriedades de isolamento térmico.

Para configurar o sistema de aquecimento da biomassa, você pode instalar uma tubulação a partir do aquecimento doméstico, que é alimentado pelo reator.

Determinação do volume necessário

O volume do reator é determinado com base na quantidade diária de esterco produzido na propriedade. Também é necessário considerar o tipo de matéria-prima, a temperatura e o tempo de fermentação. Para que a instalação funcione adequadamente, o tanque deve ser preenchido com 85-90% do volume, e pelo menos 10% deve permanecer livre para a saída do gás.

O processo de decomposição da matéria orgânica em uma instalação mesofílica a uma temperatura média de 35 graus dura de 12 dias, após o qual os resíduos fermentados são retirados e o reator é preenchido com uma nova porção de substrato. Como os resíduos são diluídos com água até 90% antes de serem enviados ao reator, a quantidade de líquido também deve ser considerada ao determinar a carga diária.

Com base nos indicadores apresentados, o volume do reator será igual à quantidade diária de substrato preparado (esterco com água) multiplicada por 12 (tempo necessário para decomposição da biomassa) e acrescida de 10% (volume livre do tanque).

Construção da estrutura subterrânea

Agora vamos falar sobre a instalação mais simples que permite obter biogás em casa com o menor custo. Vamos considerar a construção de um sistema subterrâneo. Para construí-lo, é necessário cavar um buraco, e sua base e paredes são preenchidas com concreto de argila expandida armado.

Em lados opostos da câmara, são feitas aberturas de entrada e saída, onde são instalados tubos inclinados para alimentação do substrato e remoção da massa residual.

O tubo de saída com cerca de 7 cm de diâmetro deve estar próximo ao fundo do tanque, e sua outra extremidade é instalada em um tanque de compensação retangular, onde os resíduos serão bombeados. A tubulação para alimentação do substrato é colocada a aproximadamente 50 cm do fundo e tem diâmetro de 25-35 cm. A parte superior do tubo entra no compartimento de recebimento da matéria-prima.

O reator deve ser totalmente hermético. Para evitar a entrada de ar, o tanque deve ser coberto com uma camada de impermeabilização betuminosa.

A parte superior do silo é o gasômetro, com forma abobadada ou cônica. Ele é feito de chapas metálicas ou ferro para telhados. Também é possível finalizar a estrutura com alvenaria de tijolos, que depois é revestida com tela de aço e rebocada. Na parte superior do gasômetro, deve-se fazer uma escotilha hermética, conduzir um tubo de gás que passa por um selo hídrico e instalar uma válvula de alívio de pressão do gás.

Para agitar o substrato, é possível equipar a instalação com um sistema de drenagem que funcione pelo princípio de borbulhamento. Para isso, fixe verticalmente tubos de plástico dentro da estrutura, de modo que a borda superior fique acima da camada de substrato. Faça vários furos neles. O gás sob pressão descerá e, ao subir, as bolhas de gás agitarão a biomassa contida no tanque.

Se você não deseja construir um silo de concreto, pode comprar um tanque pronto de PVC. Para conservar o calor, deve-se revesti-lo com uma camada de isolamento térmico – poliestireno expandido. O fundo da vala é preenchido com concreto armado em uma camada de 10 cm. Os reservatórios de policloreto de vinila podem ser usados se o volume do reator não exceder 3 m³.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Você aprenderá como fazer a instalação mais simples a partir de um barril comum, se assistir ao vídeo:

Você pode assistir à construção de um reator subterrâneo no vídeo:

O carregamento de esterco na instalação subterrânea é mostrado no vídeo a seguir:

A instalação para obtenção de biogás a partir de esterco permitirá economizar significativamente no pagamento de aquecimento e eletricidade, e destinar para uma boa causa o material orgânico que existe em abundância em cada propriedade rural. Antes de iniciar a construção, é necessário calcular e preparar tudo cuidadosamente.

O reator mais simples pode ser feito em alguns dias com as próprias mãos, usando materiais disponíveis. Se a propriedade for grande, o melhor é comprar uma instalação pronta ou consultar especialistas.

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