Comportamento de reactores anaeróbios tratando a fracção orgânica Departamento de Ambiente e Ordenamento Comportamento de reactores anaeróbios tratando a fracção orgânica dos resíduos sólidos urbanos Dissertação apresentada à Universidade de Aveiro para cumprir os requisitos necessários à obtenção do grau de Doutor em Ciências aplicadas ao Ambiente Orientação Científica: Dr.º Luís Arroja* Co-orientação Drª Isabel Fernandes* * Professor(a) Associado(a) do Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro Esta tese foca os fundamentos teóricos e aspectos práticos da digestão anaeróbia de resíduos sólidos orgânicos, e particularmente dos derivados de habitações individuais, restaurantes, cantinas, mercados e jardins, ou seja, a fracção orgânica dos resíduos sólidos urbanos (FORSU) e a sua co-digestão com lamas biológicas (LB) provenientes das estações de tratamento de águas residuais de efluentes domésticos. Bolsa de Doutoramento SFRH/BD/1066/2000 Projecto POCTI/CTA/39181/2001 António Pedro Conde Pinto Flor

AGENDA 1 – INTRODUÇÃO e OBJECTIVOS 2 – TECNOLOGIAS 3 – METODOLOGIAS 4 – ENSAIOS DE BIODEGRADABILIDADE - reactores descontínuos 5 – ENSAIOS CONTÌNUOS E SEMI_CONTÌNUOS - reactores semi-contínuos e contínuos 6 – MODELAÇÃO MATEMÁTICA DOS RESULTADOS 7 – CONCLUSÕES FINAIS

Objectivos Gerais Avaliar o potencial das tecnologias no contexto Português e o estado da arte FORSU e LS Desempenho de reactores contínuos Modelação matemática

1 – INTRODUÇÃO Tecnologia antiga (século X a.c) Protocolo de Kyoto FORSU ; 15 4 3 10 Total 32 20 30 40 Potencial estimado Potencial 10 6 m (CH ).dia -1 5 25 35 Lamas de etar Águas residuais industriais Resíduos de agropecuária aproveitado * 1,7 FORSU ; 4,5 São produzidos 7,5 M m3 (CH4) por dia Apenas 23% do possível Protocolo de Kyoto Directivas 1999/31/CE Aumento de 0,3 M (ton).ano-1 em 2003 (apenas 0,4 M (ton) de aumento na década de 90).

1 – INTRODUÇÃO A Alemanha aumentou 6 vezes na última década. 0,7 Espanha 0,8 Portugal 0,03 A Alemanha aumentou 6 vezes na última década. No final de 2003 tinha sido ligeiramente ultrapassada pela Espanha.

1 – INTRODUÇÃO CO-DIGESTÃO VANTAGENS Incineração Compostagem BIOGÁS : DESVANTAGENS Transporte de resíduos Entraves legislativos, 5% das unidades funcionam em co-digestão a nível Europeu (FORSU) Fracção Orgânica dos Resíduos Sólidos Urbanos VANTAGENS - Nutrientes - Cargas orgânicas (CO) e tempos de retenção hidráulico (TRH) Economia de escala, por partilha de equipamentos Lamas de ETAR

As vantagens e desvantagens são equilibrados. 2 – TECNOLOGIAS Digestão anaeróbia da FORSU > 50 processos patenteados BTA (Alemanha) Via Húmida HERNING (Dinamarca) BIOMET (Suiça) Descontínuos BIOCEL (Holanda) SEBAC (EUA) Via Seca Contínuos VALORGA (França) DRANCO (Bélgica) FUNNEL (EUA) Os processos por “via seca” (DRANCO, Kompogas e Valorga) permitem operar os reactores com concentrações médias de sólidos de 30%(ST). A tecnologia por “via húmida” tem a vantagem de usar equipamento mais disponível no mercado, semelhante ao usado para lamas residuais. Actualmente existe um equilíbrio entre a implementação de reactores anaeróbios nas gamas mesofílicas e termofílicas de temperatura (37 ou 55ºC), via húmida ou via seca (mais ou menos que 15%ST). Os digestores descontínuos por seu lado não têm tido grande aceitação. As vantagens e desvantagens são equilibrados. - 54% “via seca” - 46% “via húmida”

2 – TECNOLOGIAS Biogás Processos por via seca DRANCO © Processo contínuos DRANCO © FORSU sep. origem Biogás Digestor Ø 7 m H= 21m Chão Vibratório Gerador de Vapor Crivo Rotativo Crivo Os processos por “via seca” (DRANCO, Kompogas e Valorga) permitem operar os reactores com concentrações médias de sólidos de 30%(ST). A tecnologia por “via húmida” tem a vantagem de usar equipamento mais disponível no mercado, semelhante ao usado para lamas residuais. Actualmente existe um equilíbrio entre a implementação de reactores anaeróbios nas gamas mesofílicas e termofílicas de temperatura (37 ou 55ºC), via húmida ou via seca (mais ou menos que 15%ST). Os digestores descontínuos por seu lado não têm tido grande aceitação. Prensa Restos Tratamento de água Bomba Maturação aeróbia Doseador Humotex

Biotechnische Abfallverwertung 2 – TECNOLOGIAS Processos por via húmida BTA © Biotechnische Abfallverwertung Biogás Digestato Água de recirculação Hidropulper Desarenador Moínho Inertes Reactor Os processos por “via seca” (DRANCO, Kompogas e Valorga) permitem operar os reactores com concentrações médias de sólidos de 30%(ST). A tecnologia por “via húmida” tem a vantagem de usar equipamento mais disponível no mercado, semelhante ao usado para lamas residuais. Actualmente existe um equilíbrio entre a implementação de reactores anaeróbios nas gamas mesofílicas e termofílicas de temperatura (37 ou 55ºC), via húmida ou via seca (mais ou menos que 15%ST). Os digestores descontínuos por seu lado não têm tido grande aceitação.

3 – METODOLOGIAS FORSU simulada/restaurante típico Equipamento muito comum e disponível

Reactores - Equipamento Motor

Biodegradabilidade e Estabilidade Teor de Sólidos 4 – ENSAIOS DE BIODEGRADABILIDADE - reactores descontínuos Objectivos Sinergismos FORSU/LS Biodegradabilidade e Estabilidade Teor de Sólidos Procedimento experimental % FORSU % Sólidos 0% 25% 50% 75% 100% 2 10 20 ª

4 – ENSAIOS DE BIODEGRADABILIDADE - reactores descontínuos Resultados e conclusões 100 % 0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 0,300 0,350 0,400 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Dias l(CH4).g-1(STV)ad 75 % 100 % 25 % 50% 75 % 75 % 50 % 50 % 25 % 100 % 0 % 0 % A FORSU usada é mais biodegradável do que as LS e ...

4 – ENSAIOS DE BIODEGRADABILIDADE - reactores descontínuos Resultados e conclusões 25 % 50 % 75 % 100 % 0 % 0 % 25 % 50% 75 % 100 % 50 % 75 % 100 % 2 % 0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 0,300 0,350 0,400 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Dias l(CH4).g-1(STV)ad 10 % 10% 20 % os sistemas por via húmida têm um melhor comportamento.

Produção específica de metano (l(CH4).g-1(STV)) 4 – ENSAIOS DE BIODEGRADABILIDADE - reactores descontínuos Resultados e conclusões Remoção de STV (%) + FORSU - ST Produção específica de metano (l(CH4).g-1(STV)) + FORSU% Menos sólidos e + FORSU = melhor desempenho

4 – ENSAIOS DE BIODEGRADABILIDADE - reactores descontínuos Resultados e conclusões A adição de LS tem um efeito estabilizador na performance do reactor. 100 75 50 25 2% ST 10% ST 20% ST - 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000 AOVs mg(AcA).l -1 FORSU (%) ST (%) + FORSU

Produção de biogás e metano nos reactores 5 – ENSAIOS CONTÌNUOS E SEMI CONTÌNUOS – reactores semi-contínuos e contínuos Objectivos Produção de biogás e metano nos reactores Estudar a remoção de CQO e STV em função da carga orgânica aplicada Avaliar a influência do modo de alimentação (contínuo e semi-contínuo)

Reactor semi-contínuo SC 5 – ENSAIOS CONTÌNUOS E SEMI CONTÌNUOS – reactores semi-contínuos e contínuos Resultados e conclusões 377 m3(CH4).ton-1(STV) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 3 PVM m3(CH4).m-3reactor.dia-1 6 9 12 14 17 19 CO Kg(CQO).m-3reactor.dia-1 PVM contínuo PVM semi-contínuo 19 Reactor contínuo CC Reactor semi-contínuo SC 17 14 12 19 17 9 14 6 12 3 9 6 3 A percentagem de metano desceu dos 60 para 40% (V/V) CH4 = 3,1 X o volume útil do reactor para 17 Kg(CQO).m-3.dia-1.

6 – MODELAÇÃO MATEMÁTICA Objectivos Compreender o comportamento do reactor Aplicação do modelo ADM1 Determinar os parâmetros mais importantes para o desempenho do reactor. Task Group on MAthematical Modelling of Anaerobic Digestion Processes)

6 – MODELAÇÃO MATEMÁTICA DOS RESULTADOS Resultados e conclusões È capaz de simular a produção de metano Kdis=1,14 d-1 Reactores descontínuos Kdis=0,5 d-1 Ajuste de parâmetros Km_ac=8 d-1 Km_ac=0,46d-1

6 – MODELAÇÃO MATEMÁTICA DOS RESULTADOS Resultados e conclusões Os parâmetros mais importantes para o REACTOR DESCONTÌNUO CO carga orgânica f_ch_Xc polissacarídeos Os parâmetros mais importantes no REACTOR CONTÍNUO Produção de metano CQO alimentação Kdis

7 – CONCLUSÕES FINAIS Potencial de crescimento FORSU + Biodegradável --- LS + estabilidade Contínuo (maior alcalinidade) <> semi-contínuo Aplicação do ADM1 é viável

No contexto Português: A co-digestão de FORSU/LS é viável….. 7 – CONCLUSÕES GERAIS No contexto Português: A co-digestão de FORSU/LS é viável….. Porque não…..

7 – CONCLUSÕES GERAIS ……. Avançar: ……. à sustentabilidade