Biodigestão Anaeróbica

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ 
INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
 
EEN 603 - BIOCOMBUSTÍVEIS 
 
 
 
 
 
 
Biodigestão Anaeróbica: 
Parte 1 
 
 
 
 
 
 
 
Autor: Prof. Dr. Christian Jeremi Coronado Rodriguez 
 
 
 
 
 
 
 
Itajubá - MG, novembro de 2023 
 
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1. Introdução. 
Os processos bacteriológicos de fermentação da matéria são anteriores à existência do 
homem na Terra, visto que a quantidade de bactérias e a intensidade de sua ação no ambiente 
primitivo colaboraram na determinação da composição da atmosfera, propiciando as condições 
de desenvolvimento da vida. 
 Atualmente existem várias tecnologias para o tratamento de dejetos e dentre elas a mais 
vantajosa é o sistema de biodigestão devido ao aproveitamento dos resíduos. 
2. História. 
 Existem registros datados de 1776, que provam a descoberta do metano efetuada pelo 
químico italiano Alessandro Volta; entretanto, é de se supor que esse gás combustível 
já fosse reconhecido e até mesmo utilizado de alguma maneira desde antes dessa data 
 Em 1806, na Inglaterra, Humphry Davy identificou um gás rico em carbono e dióxido 
de carbono, resultado da decomposição de dejetos animais em lugares úmidos, e fez 
uma ligação da sua pesquisa com o gás dos pântanos, mencionada por Volta 
 Somente em 1844, Ulisse Gayo, mostra de maneira definitiva que o gás metano pode 
ser produzido a partir da fermentação de uma mistura de excrementos, palha de estábulo 
e água, e discute suas propriedades 
 Nessa época, pesquisadores da Alemanha e França estabeleceram as bases teóricas e 
experimentais da biodigestão anaeróbica 
 Na Segunda Guerra Mundial a biodigestão foi bastante defendida entre os países 
europeus, usando o biogás em substituição dos derivados do petróleo, através da queima 
direta e do uso de veículos 
 Em 1939, o Instituto Indiano de Pesquisa Agrícola em Kampur, desenvolveu a primeira 
usina de gás esterco. O sucesso obtido animou os indianos a continuarem as pesquisas, 
formando o Gobar Gás Institute (1950) 
 
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 A China adotou a tecnologia a partir de 1958, onde até 1972, já haviam sido instalados 
7,2 milhões de biodigestores na região do rio Amarelo. E logo após essa ideia veio para 
o Brasil 
 No ano de 1973 o Brasil passou por uma crise energética, assim começou a procura de 
outros métodos para a produção de energia. A utilização de biodigestores passou a ser 
uma opção adotada pelo país 
 Em novembro de 1979, a Embraer instalou o primeiro biodigestor do modelo chinês, na 
Granja do Torto em Brasília 
 Na década de 80, iniciaram a implantação de mais biodigestores. Mas os técnicos não 
tinham muito conhecimento dessa tecnologia, isso fez com que os novos biodigestores 
não funcionassem. Assim os biodigestores construídos nessa época foram abandonados 
ou utilizados como simples esterqueiras, para os técnicos isso foi um fracasso 
3. O Biogás. 
O Biogás é originado pela mistura de gases, principalmente, metano e gás carbônico e 
em menores proporções o nitrogênio e gás sulfídrico. O Biogás tem um poder calorífico que 
varia de 5000 e 7000 kcal/ m³ de gás com composição de 60 a 80% de metano. 
 
 
 
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3.1. Equivalência energética 
 
3.2. Produção a partir de estrume 
 
3.3. Produção a partir de restos vegetais 
 
 
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Ônibus movidos a biogás em Helsingborg (Center for Land Use Education, 2008) e em 
Estocolmo (Energieprojecten, 2008). 
3.4. Exemplo 
Para uma família de 5 pessoas em termos de uso caseiro tem se: 
 
Essa quantidade de biogás corresponde a ¼ de um bujão de gás de 13 kg e pode ser 
obtida com a produção de aproximadamente 30 a 40 bovinos. 
3.5. Processo 
O biogás é gerado através da decomposição da matéria orgânica (o que inclui 
carboidratos, lipídios e proteínas). 
Após a produção, este combustível deve ser processado e purificado, a fim de que não 
diminua a vida útil dos dispositivos que o utilizam, como caldeiras, queimadores ou mesmo 
células de combustível associadas a reatores para produção de gases de síntese para fins de 
geração de energia. 
 
 
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 O processo de digestão é fortemente influenciado pela temperatura do processo, pela 
composição da matéria-prima a ser decomposta, pelo tempo de retenção hidráulica 
(TRH), pelo pH e pela presença (ou ausência) de substâncias tóxicas oriundas de 
desinfetantes e inseticidas. 
 O Tempo de Retenção Hidráulica (TRH) é o tempo em que o substrato orgânico deve 
permanecer no digestor para que seja digerido pelas bactérias anaeróbias. 
 
 
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3.6. Condições de boa qualidade 
Algumas condições para a não afetar a fermentação e liberação de um biogás de boa 
qualidade: 
 Temperatura 
 A temperatura ideal é em torno dos 35◦C 
 Aumentando a temperatura, diminui o tempo de residência 
 Quando a temperatura fica abaixo de 10 a 15◦C pode cessar a biodigestão 
 PH 
 O PH ideal é de 6 a 8, podendo ser considerado ótimo de 7 a 7,2. 
 A redução do PH abaixo dos limites ideais pode cessar a biodigestão 
 Problema do bicarbonato: Se as bactérias do primeiro grupo são muito rápidas e 
produzem mais alimentos do que as metanogênicas conseguem digerir, o dióxido 
de carbono liberado tornará maior a concentração de bicarbonato, o que impede 
a queda acentuada no pH 
 
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 Composição de Concentração 
 A composição do resíduo a ser tratado afeta a produção de biogás na proporção 
direta: quanto maior for o conteúdo de sólidos voláteis, os quais representam a 
quantidade de sólidos orgânicos presentes na amostra, e a disponibilidade de 
nitratos, fosfatos e sulfatos, maior será a produção de biogás 
 Agitação 
 A agitação propicia um maior contato do substrato com as bactérias, distribuindo 
melhor o calor na biomassa e dando maior uniformidade dos produtos 
intermediários e finais da biodigestão, além de evitar a produção de uma crosta 
que pode obstruir a parte superior do biodigestor 
 Nutrientes essenciais 
 Nitrogênio e sais orgânicos (principalmente carbono) 
 Substâncias prejudiciais (São elementos conciliáveis se mantidas abaixo de certas 
concentrações) 
 Cloreto de Sódio 
 Cobre 
 Amônia 
 Potássio 
 Magnésio 
 Tempo de retenção 
 De 35 a 50 dias 
4. Biodigestores. 
Os biodigestores também podem ser usados para tratar dejetos humanos, mas o efluente 
deve sofrer tratamentos posteriores para porte pequeno para atender uma residência. 
 
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Biodigestor residencial 
Um biodigestor também serve para atender uma escala maior de habitantes. Adequado 
para condomínios, edifícios, shoppings, supermercados, colégios, entre outros. 
 
Biodigestor comercial 
Os biodigestores também são típicos para ser usados em fazendas, sítios, pois sua 
capacidade é ideal para realizar toda biodigestão dos resíduos orgânicos produzidos nessas 
grandes áreas. 
 
Biodigestor Rural 
 
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Biodigestor: solução para reduzir as emissões do gás metano gerada por dejetos de suínos 
4.1. Biodigestores anaeróbicos 
Os biodigestores consistem basicamente numa câmara de fermentação, onde é 
processada a biodigestão da matéria orgânica, numa campânula que armazena o gás produzido 
ou, simplesmente, numa saída para esse gás, numa entrada do substrato a ser fermentado e numa 
saída para o efluente produzido pelo processo. 
 
4.2. Biodigestores – Classificação 
 O biodigestor deve ser concebido com o objetivo de proporcionar as vantagens citadas, 
embora seja reconhecidamente difícil atender as três de forma integrada e otimizada 
 Os biodigestores podem ser classificados de acordo com o tipo de construção, modo de 
operação, a forma de armazenamento do gás, fluxo das substâncias em fermentação, 
 
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temperaturade operação, com ou sem agitação e com ou sem dispositivos para agregar 
a biomassa bacteriana 
 
4.2.1. A saber 
As alternativas de construção de biodigestores são muitas e se resumem, de maneira 
geral, numa combinação de diferentes características. 
Um biodigestor pode ser contínuo, enterrado, mesofílico, de fluxo vertical, pode utilizar 
um gasômetro externo, possuir um agitador e uma matriz interna para auxiliar na agregação das 
bactérias. 
Biodigestor a batelada externa, mesofílico, com gasômetro externo, de plástico flexível 
reforçado 
 
 
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4.2.2. Importante 
Devido ao largo uso a que foram submetidos desde o inicio do século, o biodigestor em 
batelada, o tanque séptico de Imhoff, o biodigestor modelo indiano e o modelo chinês devem 
ser estudados. 
4.3. Biodigestor batelada em tambor metálico 
Os outros tipos podem ser considerados uma variação deste. O resíduo ou material a ser 
biodigerido é colocado, geralmente misturado com água, no tambor maior. O tambor menor é 
colocado sobre o material e, quando a produção de gás começa, ele se eleva, indicando 
visualmente que o processo se desenvolve. 
Constam de um sistema bastante simples e pequena exigência operacional sendo que 
este recebe o substrato de uma só vez, ficando fechado por um período conveniente de produção 
de gás, após o que ele é esvaziado. Sua instalação poderá ser apenas um tanque anaeróbico, ou 
vários tanques em séries. 
 
H – Altura do nível do substrato 
h1 – Altura ociosa do gasômetro 
h2 – Altura útil do gasômetro 
h3 – Altura livre para o 
deslocamento do gasômetro 
hg – Altura do gasômetro 
 
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c – Altura do gasômetro acima da 
parede do biodigestor 
Db – Diâmetro da base 
b – Altura da parede do biodigestor 
acima do nível do substrato. 
Di – Diâmetro interno do 
biodigestor. 
Dg – Diâmetro do gasômetro 
De – Diâmetro externo da parede 
inferior. 
Ds – Diâmetro interno da parede 
superior 
 
5. Tanques. 
5.1. Imhoff 
Bastante difundido na sua época, foi desenvolvido pelo alemão Karl Imhoff, no fim do 
século XIX. Sua finalidade básica não é a produção de gás, mas a redução quase total dos 
sólidos em efluentes domésticos. É um modelo de alimentação e retirada contínuas de material. 
Construído geralmente em concreto ou aço, com tempo médio de retenção no decantador de 
dois a quatro dias. 
 
5.2. Modelo chinês 
Formado por uma câmera cilíndrica de alvenaria para a fermentação, com teto abobado, 
impermeável, destinado ao armazenamento de biogás. Princípio da prensa hidráulica, ao 
aumentar a pressão em seu interior (acúmulo de biogás), resultará em deslocamentos do efluente 
para a caixa de saída, e em sentido contrário quando ocorre a descompressão. 
 
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5.2.1. Dimensões 
 
Dc – Diâmetro do corpo cilíndrico 
Hc – Altura do corpo cilíndrico 
hg – Altura da calota do gasômetro 
hf – Altura da calota do fundo 
Rr – Centro da calota esférica do 
fundo 
Rg – Centro da calota esférica do 
gasômetro; 
he – Altura caixa de entrada 
De – Diâmetro da caixa de entrada 
hs – Altura da caixa de saída 
Ds – Diâmetro da caixa de saída 
5.2.2. Vantagens 
 Este modelo tem um custo mais barato em relação aos outros, pois a cúpula é feita 
alvenaria 
 O biodigestor chinês é o que ocupa menos espaço na superfície do solo 
 Como é construído completamente enterrado no solo tanto o digestor, como o 
gasômetro, sofrem muito pouca variação de temperatura 
 
5.2.3. Desvantagens 
 O sistema de comunicação entre a caixa de carga e o digestor sendo feito através de 
tubos, está sujeito a entupimentos 
 Não é um biodigestor próprio para acúmulo de gás, devido a sua construção de cúpula 
fixa (a área de reserva de gás é menor). É um modelo mais indicado na produção de 
biofertilizantes 
 O modelo chinês não é utilizado para instalação de grande porte 
5.3. Modelo indiano 
O modelo indiano se caracteriza por possuir uma campânula como gasômetro, a qual 
pode estar mergulhada sobre a biomassa em fermentação ou em um selo d’água externo, e uma 
parede central que divide o tanque de fermentação em duas câmaras. 
A função da parede divisória faz com que o material circule por todo o interior da câmara 
de fermentação. O modelo Indiano possui pressão de operação constante. 
 
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O biodigestor indiano é composto por: 
 
5.3.1. Componentes 
 Caixa de descarga 
 Tubo de carga 
 Câmara de biodigestão cilíndrica 
 Gasômetro 
 Ele se movimentara para cima ou para baixo, de acordo com o volume de biogás 
acumulado ou retirado. “Geralmente o gasômetro é feito de chapa de aço numero 
14, a qual deverá ser soldada em uma estrutura metálica, feita de cantoneiras de 
aço carbono ¾”. Ele deverá ter formato cilíndrico, sendo a cobertura superior 
 
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abaulada (em forma de cone), para evitar a deposição de impurezas e água na 
parte externa do mesmo 
 Tubo-guia 
 Tubo de descarga 
 Caixa ou caneleta de descarga 
 Saída do gás 
 
 5.3.2. Vantagens 
 É construído enterrado no solo e sofre pouca variação de temperatura. A temperatura 
elevada favorece a ação das bactérias e sua queda provoca uma menor produção de 
biogás 
 Ocupa pouco espaço do terreno porque sua maior extensão é vertical 
 Em termos de custos, sendo as paredes de seu digestor construídas dentro do solo, o 
modelo dispensa o uso de reforços, tais como cintas de concreto, o que barateia as 
despesas 
5.3.3. Desvantagens 
Quando a cúpula for de metal, ela está sujeita ao problema de corrosão. Para evitá-lo 
recomenda-se fazer uma boa pintura com um antioxidante, como por exemplo, o zarcão. 
5.3.4. Dimensionamento de biodigestor 
 
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H – Altura do nível do substrato 
h – Altura da parede divisória 
h1 – Altura ociosa do gasômetro 
h2 – Altura útil do gasômetro 
Di – Diâmetro interno do 
biodigestor 
Dg – Diâmetro do gasômetro 
Db – Diâmetro da base 
De – Diâmetro externo da parede 
superior 
Ds – Diâmetro interno da parede 
superior 
a – Altura do fundo da caixa de 
entrada 
b – Altura da parede do biodigestor 
acima do nível do substrato 
n – Comprimento do tubo de PVC 
acima da superfície do solo 
e – Altura do posicionamento dos 
tubos de entrada e saída 
m – Distância entre a parede do 
gasômetro e o meio da caixa de 
entrada 
l – Comprimento do tubo de PVC 
até a superfície do solo 
 
 
 
 
5.3.5. Metodologia de dimensionamento 
 
5.3.6. Restrições 
 Diâmetro interno: 
Vb = Di
2H/4 ≥ 1,1 (Vol. Total de carga) 
0,6≤ Di/H ≤ 1,0 
3 < H < 6 
 Diâmetro do gasômetro: 
Dg = Di + 0,10 
 Altura da parede divisória: 
h ≥ 2/3 H 
 Volume do gasômetro: 
 V1 = Dg2h1/4 ; h1 ≥ 0,15 m 
V2 = Dg2h2/4 
Vg = V1 + V2 
 Volume da parede divisória: 
Vp = h * Di * esp 
 Diâmetro interno da parede superior : 
Ds = Dg + 0,10 
 Diâmetro externo da parede superior: 
De = Di + 2(esp) 
 Diâmetro base: 
Db = De + 0,2 
 Volume útil da caixa de entrada: 
 
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Vc = Vol. Total de carga / n ; n= 50 dias 
 Altura do solo e fundo da caixa de entrada: 
a = 0,5 m 
b = 0,15 m.c.a ( pressão máxima desejada) 
e = 0,3 m 
5.3.7. Exercício 10: Biodigestor indiano a partir de uma 
caixa de água inox e de PVC 
A partir de caixas de água de aço inox e PVC, comercialmente disponíveis no mercado, 
dimensionar um biodigestor tipo indiano: 
a) Completar a Tab.1 a fim de calcular o volume do biodigestor e o volume do 
gasômetro. 
b) Calcular as principais dimensões de um biodigestor para um sitio que conta com 3 
cabeças de gado. Seguir as restrições e recomendações fornecidas. 
5.3.7.1. Tab. 1 
Quantidade 
de 
Animais 
Total de 
Esterco 
 (kg) 
Vol. de 
Água 
 (l) 
Volume de 
 carga (VC) 
 (l/dia) 
Vol. Total de 
 carga 
VC x TRH 
(l) 
Produção 
diária de 
Biogás 
(m3) 
Vol. do 
Gasômetro 
(m3) 
1 5,3 
3 
5 
10 
2021 
 
5.3.7.2. Resultados obtidos com o dimensionamento 
 
6. Construção do biodigestor. 
 Preparar a caixa de PVC: 
 Cortar o fundo da caixa, para ser encaixada na caixa d’água de inox como 
gasômetro 
 Colocar as agarradeiras, para que sejam fixados cabos até a caixa de inox. Isso 
evitará que a pressão do gás exercida na caixa de PVC a derrube 
 Na tampa da caixa de PVC será colocado um tubo com registro para ser coletado 
o biogás 
 
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 Preparar a caixa de Inox: 
 Cortar a parte superior da caixa, para que se permita encaixar a caixa de PVC 
 Colocar as tubulações de PVC com o dimensionamento apropriado, as 
tubulações permitirão a entrada da biomassa e a saída do biofertilizante 
 Fixar a chapa de inox no interior da caixa, para que tenha a separação da 
biomassa e do biofertilizante no interior do biodigestor 
 Preparar a chapa de vedação: 
 A chapa será cortada, dobrada e fixada na caixa d’água de inox, para fazer a 
vedação do sistema e por fim será colocado o selo d’água. A fixação será feita 
através de uma solda especial para aço inox 
 Construção da estrutura de transporte do biodigestor: 
 Uma estrutura é feita de metalão 
 
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 Serão fixadas 4 rodas que suportam 80 kg cada 
 
 
6.1. Biodigestor montado 
 
 
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