Implicações do aquecimento de efluentes de suinocultura na eficiência energética e termodinâmica em biodigestores modelo lagoa coberta

Abstract

Os biodigestores modelo lagoa coberta são amplamente utilizados no Brasil para o tratamento de efluentes agroindustriais devido ao baixo custo e à simplicidade de operação. Entretanto, em condições naturais, esses reatores operam em temperaturas abaixo do ideal, comprometendo a eficiência do sistema e a produção de biogás. Assim, o uso de fontes externas para aquecimento do efluente pode potencializar o funcionamento do biodigestor, com destaque para a energia solar, por ser esta proveniente de uma fonte de aquecimento perene. Neste trabalho teve-se como objetivo avaliar o uso de energia solar como fonte de aquecimento de efluentes de suinocultura em biodigestores modelo lagoa coberta e as implicações nas trocas térmicas, produção de metano e autossuficiência energética em granjas de suinocultura. O estudo foi realizado a partir de dados de uma estação de tratamento localizada em uma granja em Teixeiras (Minas Gerais - Brasil). A modelagem matemática (programa Energy plus) foi utilizada como ferramenta para simular o sistema de aquecimento e o biodigestor, a fim de obter a nova temperatura de operação do sistema e comparar as trocas térmicas que ocorrem nos ambientes interno e externo ao biodigestor com efluente aquecido e com efluente sem aquecimento. O aquecimento de efluentes decorrente da recuperação de energia solar se apresentou como uma alternativa para potencializar a produção de metano, principalmente para o período frio devido à maior amplitude térmica. O aumento do número de painéis solares não implicou em contribuições mais expressivas na produção de metano e energia, uma vez que quando o sistema atingiu a temperatura de 30°C, 68,9% e 78,6% da demanda energética da granja pode ser suprida, nos respectivos períodos quente e frio, representando o melhor custo-benefício para o aumento da sustentabilidade energética da suinocultura. A temperatura de 30° C foi alcançada com o cálculo de 3 e 13 painéis solares nos períodos quente e frio, respectivamente. Os resultados obtidos no estudo das trocas térmicas atestaram que a radiação solar é a fonte primária de aquecimento dos reatores anaeróbios e que a elevada inércia térmica do solo contribui com a pequena variação da temperatura da biomassa ao longo do dia, mesmo no cenário com o efluente aquecido. As trocas térmicas que ocorrem entre o ambiente externo e o biogás e entre o biogás e a biomassa apresentaram as mesmas relações e valores para os cenários sem e com aquecimento, com diferenças apenas entre os períodos quente e frio. No cenário com aquecimento, mesmo após as trocas térmicas com o biogás e com o solo, a temperatura da biomassa é capaz de atingir e estabilizar em 30°C, em ambos os períodos quente e frio. Os resultados desse trabalho são de grande relevância para otimizar a operação de biodigestores modelo lagoa coberta e o fluxo de energia dentro e fora dos reatores e, assim, contribuir para uma maior sustentabilidade energética dos sistemas agroindustriais de tratamento de efluentes. Palavras-chave: Aquecimento de efluentes. Energy plus. Meios de transferência de calor. Modelagem matemática. Produção de biogás.

Covered lagoon biodigesters are widely used in Brazil to treat agro-industrial effluents due the low cost and simple operation. However, under natural conditions, biodigesters operate at suboptimal temperatures, compromising the system efficiency and the biogas production. Thus, the use of external sources to heat the effluent can enhance the reactor operation, highlighting solar energy, as it comes from a perennial heating source. This work aimed to evaluate the use of solar energy as a heating source for pig effluents in covered lagoon biodigesters and the implications for thermal exchanges, methane production and energy self-sufficiency in pig farms. The study was carried out using data from a treatment plant located on a farm in Teixeiras (Minas Gerais - Brazil). Mathematical modeling (Energy plus program) was used as a tool to simulate the heating system and the biodigester, in order to obtain the new operating temperature of the system and compare the thermal exchanges that occur in the internal and external environments of the biodigester with heated and unheated effluent. The effluent heating through solar energy recovery presented as an alternative to potentialize the production of methane, mainly for the cold period due to the greater thermal amplitude. The increase of the number of solar panels did not necessarily imply in more significant contributions to the methane and energy production, once when the system reached a temperature of 30°C, 68.9% and 78.6% of the farm's energy demand could be supplied, in the respective hot and cold periods, representing the best cost-benefit to improve the pig farm energy sustainability. The temperature of 30°C was reached with the calculation of 3 and 13 solar panels in the hot and cold periods, respectively. The results obtained in the study of thermal exchanges certificated that solar radiation is the primary source of heating in anaerobic reactors and that the high thermal inertia of the soil contributes to the small variation in biomass temperature throughout the day, even in the scenario with the heated effluent. The thermal exchanges that occur between the external environment and the biogas and between the biogas and the biomass presented the same relationships and values for the scenarios without and with heating, with differences only between the hot and cold periods. In the heating scenario, even after thermal exchanges with the biogas and the soil, the biomass temperature was able to reach and stabilize at 30°C, in both hot and cold periods. The results of this work are of great relevance to optimize the operation of covered lagoon biodigesters and the flow of energy inside and outside the reactors and, thus, contribute to greater energy sustainability of agro-industrial effluent treatment systems. Keywords: Effluent heating. Energy plus. Heat transfer. Modeling. Biogas production.