15-Mai-2018 15:00 - Atualizado em 16/05/2018 14:20
Comentário

Biogás de efluentes industriais: Como contaminantes podem inutilizar seu projeto

Alexandre Mater é o novo colunista do portal Biomassa e Bioenergia, confira seu primeiro artigo exclusivo para a publicação

A biodigestão de resíduos é prática conhecida por milénios.  O biogás resultante desta tecnologia foi preferencialmente utilizado em fins domésticos, como aquecimento e preparo de alimentos.

Com o desenvolvimento de grandes escalas de produção industrial, com grandes volumes de efluentes e alta carga orgânica, a geração de biogás torna-se atrativa pela escala e a possibilidade de implantação de geradores que convertam este combustível em energia elétrica e térmica limpa. A captura do metano nestas condições é também fator importante na mitigação dos impactos da emissão de Gases de Efeito Estufa.

Entretanto, este mesmo combustível que possui um potencial energético fantástico pode carregar em sua composição alguns contaminantes que podem colocar em risco os geradores e equipamentos associados se não forem mitigados anteriormente.

Neste artigo comentaremos sobre os principais contaminantes existentes no biogás proveniente da biodigestão de efluentes industriais e seus impactos na geração de energia.

O biogás é qualquer coisa menos metano puro!

Os principais gases na mistura são o metano (CH4) e o dióxido de carbono (CO2) entre outras dezenas.  A proporção destes gases depende de diversos fatores tecnológicos, operacionais e ambientais.  O metano é o componente que efetivamente carrega a energia.  Ora, quanto menor a quantidade de dióxido de carbono e contaminantes, maior é a energia disponível no biogás.  Esta é a principal característica que justifica as variações de energia gerada durante o tempo, mantendo-se o volume constante de biogás consumido.

Variações importantes são encontradas em campo e encontramos situações com mais de 50% de dióxido de carbono em lagoas de tratamento de efluentes que foram cobertas com mantas e coletado o biogás, sem nenhum tipo de controle técnico e sistemas com menos de 30% em biodigestores modernos, corretamente dimensionados e operados.

A remoção do gás carbônico do biogás é tecnologia sedimentada no mercado.  Podemos trabalhar com a lavagem do gás com água, sistemas de membranas seletivas, compressão/resfriamento e condensação. São múltiplas opções disponíveis.

O que determina a viabilização desta purificação está ligada diretamente ao valor econômico da utilização de um biogás mais energético e também da utilização do dióxido de carbono removido.  Se a indústria possuir demanda para o dióxido de carbono, a purificação pode ser plenamente viável.

O segundo maior contaminante do biogás é a água.  Um biodigestor possui um ambiente com temperatura estável e relativamente elevada.  Estas condições fazem com que o biogás tenha características que permitem carregar por saturação, um volume significativo de umidade (Lei das Pressões Parciais de Dalton/ Equação Universal dos Gases).

Além disso, temos condições construtivas do próprio biodigestor que podem facilitar o carreamento de gotículas de água para o biogás.  A umidade causa impactos diretos e indiretos.  Diretamente, a condensação da umidade pode ocasionar o bloqueio de redes e a geração de golpes de aríete. De forma indireta, a água pode atuar como agente para potencializar efeitos nocivos que o biogás seco não teria, solubilizando e favorecendo reações químicas deletérias.

Nossa experiência em campo indica que secar o gás é condição mínima necessária para qualquer tipo de aproveitamento energético subsequente.

Gás Sulfídrico:  Esse parece que vem do inferno...

Talvez o gás que mais dor de cabeça causa nos usuários de biogás de aproveitamento industrial é o gás sulfídrico (H2S).  Este gás, de odor pungente é proveniente da degradação de compostos sulfurados. Muito comum em efluentes de frigoríficos e abatedouros devido degradação de proteínas e aminoácidos.

As concentrações deste composto no biogás são relativamente baixas, na ordem de partes por milhão (ppm).  Entretanto, este gás é responsável por um dos danos mais comuns em sistemas de biogás, que é a corrosão.

O H2S em contato com a umidade naturalmente presente no biogás forma o ácido sulfúrico, que ataca de forma muito agressiva muitos materiais. Cercas, tubos, parafusos, plásticos e inclusive o concreto desprotegido.  Todos estes materiais podem sofrer danos irreversíveis se em contato com o gás sulfídrico e umidade.

Geradores e motores de combustão são suscetíveis a danos se forem operados com  biogás que não tenha um tratamento prévio adequado.  Os danos geralmente ocorrem onde existe uma redução de temperatura e a umidade presente sofre condensação.

A remoção do H2S pode ser efetuada por diversos mecanismos, entre eles os famosos filtros de limalha de ferro.  Entretanto, nossa prática recomenda o trabalho preventivo, na mitigação da geração do gás sulfídrico no biodigestor e uma purificação subsequente do biogás.   Desta forma, os sistemas de tratamento são menores e mais eficazes.

O primeiro mecanismo de controle da geração de H2S é o controle do pH dentro do biodigestor e da alcalinidade disponível.  Em pH levemente ácido, o equilíbrio do sistema é afetado e quase a totalidade é convertida a sulfeto, conforme o diagrama seguinte:

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Mesmo “pequenas” reduções de pH, como por exemplo de 7,5 para 6,5  podem acarretar um aumento significativo na emissão de H2S.  Recomenda-se portanto controlar com muito critério o pH do biodigestor, evitando-se a todo o custo a acidificação do meio.   O ideal seria a operação mais próximo possível do limite superior do biodigestor e manter a alcalinidade suficientemente alta para garantir o tamponamento do sistema.

A segunda tecnologia, também aplicada é a micro aeração do biodigestor.  Consiste em efetuar pequenos ciclos de injeção de ar comprimido (ou ainda oxigênio puro) com o uso de difusores dentro da massa líquida do biodigestor. Com um controle rigoroso do potencial RedOx do biodigestor, é possível manter as condições de operação anaeróbicas, com um mínimo nível de emissão de gás sulfídrico.

Esses esquecidos Siloxanos

Os siloxanos são um grupo de silicones contendo ligações Si-O com radicais orgânicos.  Eles são amplamente utilizados em uma grande variedade de processos industriais.  Apesar de muitos deles se dispersarem na atmosfera onde são decompostos, alguns acabam aparecendo em águas residuárias.

Não se decompõe nos sistemas de tratamento convencionais e como em alguns pontos, as temperaturas de biodigestão podem ultrapassar 60 °C, os siloxanos podem ser volatilizados e constituir um componente indesejado do biogás.

O problema pode ser muito incrementado com o uso de anti espumantes que são utilizados indiscriminadamente em estações de tratamento de efluentes. 

Infelizmente, quando queimados, os siloxanos são convertidos em dióxido de silício, que são quimicamente semelhantes a areia. Desnecessário dizer que isso pode causar um dano significativo em turbinas e outros motores.

Níveis tão baixos quanto 100 partes por bilhão (ppb) deste contaminante podem reduzir em até 5% a performance de um motor em 1.000 horas de operação.

Várias tecnologias foram testadas para a remoção dos siloxanos do biogás, algumas delas com efeito sobre outros contaminantes.   As mais usuais estão associadas ao uso de carvão ativado, membranas seletivas e o resfriamento/condensação.

Concluindo, existe o senso comum de que a conversão de matéria orgânica proveniente de lodos e efluentes industriais em biogás é prática que proporciona benefícios ambientais e financeiros diferenciados.  Entretanto, é necessário que sejam previstos mecanismos para a purificação do biogás, de forma a garantir a performance de geração de energia durante todo o ciclo de vida do projeto.

 

 

Redação

Alexandre Mater

Sócio fundador da consultoria Stride Inteligência Ambiental, é especialista em Sistemas de Gestão, Eficiência Energética, Sistemas de Controle Ambiental, conversão energética de resíduos.

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