WO2013126977A1 - Processo anaeróbio de produção de biogás com alto teor de metano por biodigestão de resíduos orgânicos - Google Patents

Processo anaeróbio de produção de biogás com alto teor de metano por biodigestão de resíduos orgânicos Download PDF

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    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the invention relates to a process of producing high methane biogas in anaerobic biodigestion plants.
  • Biogas can be successively employed in the generation of electric and thermal energy.
  • the process is based on the use of biotechnologies, hardware and software specifically developed for this purpose.
  • Biologically the system promotes and stabilizes the production of autochthonous methanogenic bacteria, already present in the residues in question.
  • the increase and stabilization of reproduction and nutrition of these bacterial phyla favors the increase of the quantity of biogas produced and the percentage of methane contained in said biogas.
  • the process is managed by a clever automation system that controls biological, chemical and physical variables for the sake of results.
  • N P equilibrium (Carbon, Nitrogen and Phosphorus).
  • PATENT PI 0600734-1 A - Date of Deposit 03/03/2006 Date of Publication: 20/11/2007 (RPI 1924)
  • Point 4 automation solutions have had limited efficiency due to poor biological balance control and the lack of process management specifically aimed at optimizing biogas production.
  • the time required to complete the digestion on average 30/40 days, comprises a large size of the digesters in use, the volume of which is equal to the volume of charged biomass multiplied by the days required to complete the digestion. This is in consideration of the fact that the daily incoming load passes through the biodigester to be finally removed as residual sludge, which once dehydrated becomes compost, in the outlet section only after 30/40 days.
  • the starting point is a reversal of the classic point of view of anaerobic digestion, which considers the disposal of polluting waste as a priority. In this way the process is directed towards the abatement of the pollutant loads inherent to the waste, based on the limits determined by the laws in force, without worrying about fully enjoying the potential energy content of the same waste being processed.
  • the invented system allows an increase and acceleration of methanogenesis and its stabilization over time. For this, it monitors the process in real time, considering its variations in time, based on recipes evaluated in previous laboratory analyzes, elaborated on a case by case basis, considering the activity of methanogens, nutrient balance and other process variables. like pH, temperature, etc.
  • the system monitors and intervenes in the bacterial processes responsible for methanogenesis and in all physicochemical process variables by means of a hardware and software system that accelerates and enhances the process, while stabilizing microbiological activity.
  • the set of biotechnological and computer components is the essence of this invention: a bio-accelerated biological culture process integrates with the anaerobic digester system through an expert hardware connection system and dedicated software management and interaction with a Revenue Database.
  • Figure 1 shows the flowchart of the high methane biogas production process object of the invention in anaerobic biodigestion plants.
  • Figure 2 represents the component operating diagrams of the Acceleration Device (4).
  • Figure 3 represents the functional scheme of the Expert System (5).
  • the Organic Waste (1) is loaded into the Accumulation Mixer / Homogenizer (2) for the purpose of homogenize the cargo and create a waste accumulation equal to 3 or 4 days of daily load storage, thus ensuring continuous feeding of the Anaerobic Biodigester (3), which is preferably the most appropriate to treat the Organic Waste typology ( 1) inlet, but according to the invention will have a total volume less than 30/40% compared to the digesters used in traditional plants, consequence of the corresponding reduction of the retention time of the process, effect of the acceleration induced in the multiplication of the bacteria. methanogenic effects performed by the combined action of the Acceleration Device (4) and the Expert System (5). It should be noted that in the Accumulation Mixer / Homogenizer (2) there is also the preliminary hydrolytic phase that precedes the successive acidogenic and methanogenic phases that take place in the Anaerobic Biodigester (3).
  • the Biogas (9) thus obtained is purified from corrosive contaminants and filtered by Filter (13) and successively sent to the Engine or Turbine (10) to drive Generator (11).
  • Compost separation water (7) from the Anaerobic Biodigester (3) is treated at the Sludge and Water Treatment Plant (8) and made available in the Treated Water Tank (12).
  • the Plant Automation and Control System (6) under the supervision of the Smart System (5) provides for automatic plant management.
  • the acceleration of the multiplication of methanogenic bacteria is performed according to the following sequence: -a) a wiring equal to K times the daily load of the Anaerobic Biodigester (3), collected anyway, is sent to one or more Accelerating Devices (4) of the multiplication of the native methanogenic bacteria present in the Organic Waste (1) and it remains there until the final concentration Cf of these methanogenic bacteria equals M times the initial concentration Ci.
  • the preliminary spinning leaves the Acceleration Device (4) to be sent back to the Anaerobic Biodigester (3), preferably but not exclusively, in the entrance sections of said Anaerobic Biodigester ( 3) where it is mixed and distributed throughout the daily load.
  • the Acceleration Device (4) consists of a watertight tank (41) in which a methane gas atmosphere is induced and in which:
  • (c) means for introducing additives and nutrients to ensure a balance of carbon, nitrogen and phosphorus (44).
  • T temperature
  • P pressure
  • CH4 methane percentage
  • C carbon
  • nitrogen and phosphorus PPM C: N: P
  • pH degree of acidity / basicity
  • mS Electrical Conductivity
  • Rdx Oxidoreduction
  • TU Turbidity
  • K-Wiring of Organic Waste (1) can also be taken from intermediate sections of Anaerobic Biodigester (3) and forwarded both in the Anaerobic Biodigester (3) and other sections: in this case duration D will be less:
  • the Wiring K of Organic Waste (1) can be preloaded directly from the Accumulation Mixer / Homogenizer (2) to be successively resubmitted to it or to the ingress section of the plant.
  • Anaerobic Biodigester (3) Anaerobic Biodigester (3).
  • Database server (504) for the control of the accelerated multiplication microenvironment of autochthonous methanogenic bacteria.
  • Connection and Automation Program means programs that allow connections to different parts of the automation system -g) Monitoring Programs (507) that allow you to transform, view and record process data online.
  • Expert system input data (509) which can be local (operator) or remote.
  • Algorithms based on derivation and trend analysis allow parameters and triggers (based on Fuzzy Logic algorithms) to be automatically routed to pre-established process needs.
  • the system performs self-correction automatically promoting variations useful for increasing the methanogenic process.
  • the Expert System (5) also controls through the Main Control Station (502) the Plant Automation and Control System (6) through the Interface (505) connection with said Plant Automation and Control System (6) to to force the alignment of the parameters suitable for reproduction in the Anaerobic Biodigester (3) of the same microenvironment created inside the Acceleration Device (4), achieving the increase of Biogas production (9) and the percentage of methane contained therein.
  • the human operator can follow the process and automation development on the main Control Station (502) screen,
  • the Experto System (5) utilizes the analyzes and parameters disclosed during the monitoring of the digestion process to formulate correction recipes in the composition of Compost (7) leaving the Anaerobic Biodigester (3), with the purpose of increasing its fertilizing power.
  • the Expert System (5) utilizes the analyzes and parameters disclosed during the monitoring of the biodigestion process to regulate the Sludge Separation and Water Treatment Station (8) in order to make the water more efficient. water production in the treated water tank (12).
  • the cooling circuits of the engines / turbines which allow the use of thermal energy in cogeneration for heating the anaerobic biodigester (3) and in trigeneration through heat pumps, for supplying air conditioners.
  • the biogas (9) produced can also be further treated for the production of methane gas with characteristics similar to those of natural gas and can be successively used as domestic, industrial or vehicular natural gas.
  • the plant according to the invention presented here starting from Organic Waste (1), produces Electric Energy (11), thermal water, treated water (12) and Compost (7) which can easily be transformed into organic fertilizer and, if required, natural gas (97-99% CH4 refined biogas). All this with reduced capital investments thanks to the smaller biodigester size (-30%) and yields 10% higher biogas yields thanks to the accelerated biodigestion that fully enjoys the volatile solids content.

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Description

PROCESSO ANAERÓBIO DE PRODUÇÃO DE BIOGÁS COM ALTO TEOR DE METANO POR BIODIGESTÃO DE RESÍDUOS ORGÂNICOS
A invenção refere-se a um Processo de produção de bíogás com alto teor de metano em plantas de biodigestão anaeróbia. O biogás pode sucessivamente ser empregado na geração de energia elétrica e térmica. O processo baseia-se na utilização de biotecnologias, hardware e software especificamente desenvolvidos para esta finalidade. Biologicamente o sistema fomenta e estabiliza a produção das bactérias metanogênicas autóctones, a dizer já presentes nos resíduos em questão. A incrementação e estabilização da reprodução e da nutrição destes filos bacterianos favorece o aumento da quantitade de biogás produzido e a porcentagem de metano contido em dito biogás. O processo é gerenciado por um sistema esperto de automação que controla as variáveis biológicas, químicas e físicas em prol do resultado.
ESTADO DA ARTE
O processo da biodigestão anaeróbia é amplamente conhecido, estudado e aplicado desde a antiguidade, principalmente para o tratamento de resíduos da moradias civis (esgoto), agricultura, pecuária e suinocultura. Na maioria das aplicações trata-se de biodigestão no setor agropecuário e agrícola, por exemplo dejetos de suínos e bovinos Para cada tipologia de resíduo existe uma potencialidade de produção de biogás, ligada a porcentagem de sólidos voláteis contidos naquele resíduo. A literatura apresenta várias tabelas Estas tabelas expressam a potencialidade em metros cúbicos de biogás produzido por tonelada de resíduo processado (m3/ton). A porcentagem de metano contida na composição do biogás é normalmente expressada em um range variável entre 55 e 70%. Na prática estes valores teóricos raramente são alançados devido à dificuldade de controle do processso, que se desenvolve de forma em parte espontânea, alcançando em media 70% deste potencial durante o tempo necessário para o processo de biodigestão (em média 30/40 dias). Com isso a biodigestão anaeróbia é hoje considerada uma maneira sustentável de dispor resíduos, produzindo também uma certa quantidade de energia.
Vários sistemas foram desenvolvidos e até patenteados em função de suas tecnologias de processo, principalmente em relação ao estado seco, semi- seco, molhado ou particular em que os resíduos orgânicos são processados nos digestores. Independentemente dos avanços tecnológicos, o que foi considerado em anos de pesquisa e aplicações sobre a implementação do processo, está principalmente relacionado a disposição de resíduos orgânico poluentes enquanto escopo primário das plantas, sendo à produção de energia o escopo secundário.
Os principais achados e implementações para melhorar a produção de energia dizem respeito a:
1. Incrementação da atividade bacteriana por adição nos digestores de material orgânico de outra origem, frequentemente da agricultura (ex. milho).
2. Adição de nutrientes, através de sistemas de dosagem a tempo, para compensação do equilíbrio C:N:P (Carbono, Nitrogénio e Fósforo).
3. Adição de enzimas e bactéria ou produtos biotecnológicos importados de outros países, principalmente USA/UE.
4. Sistemas de automação que se limitam à operação de partes macânicas e eletrônicas (automação, instrumentos, bombas, válvulas, motores, etc.) REFERÊNCIAS
a) Bibliográficas
ANGELIDAKI, L; Ellegaard, L. & Ahring, B.K., (1999) A comprehensive model of anaerobic bioconversion of complex substrates to biogas, Biotechnology and Bioengineering, 63: 363-372
BOUALLAGU1, H.; Lahdheb H.; Ben Romdan, E.; Rachdi, B. & Hamdi, M. (2009) Improvement of fruit and vegetable waste anaerobic digestion performance and stabílity with co-substrates additton, Journal of Environmental Management, 90: 1844-1849
BRAUN, R.; Weiland, P. & Wellinger, A. (2009) Biogas from Energy Crop Digestion, IΕΑ Bioenergy, Task 37
FERNANDO LUCIANO MERLI DO AMARAL (2004) Biodigestão dos resíduos sólidos urbanos: um panorama tecnológico atual, Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo
LOPO JOSÉ INFANTE DA CÂMARA LOPO CARVALHO (2010) Avaliação do potencial de produção de biogás a partir de biomassa proveniente de culturas dedicadas de ETARI, Instituto Superior de Agronomia Universidade Técnica de Lisboa
DANIELE OLMETTO (2008) Codigestione anaeróbica di fanghi di depurazione e frazione orgânica de R.U. , Alma Mater Studiorum - Universitá di Bologna Facoltá di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria per l' Ambiente e il Territorio - Tesi di Laurea in Ingegneria Sanitária Arnbientale LS
b) Patentes
PATENTE MU 8502073-7U - Data de Depósito 16/09/2005 Data de Publicação .29/05/2007 (RPI 1899) PATENTE PI01000529-3 A2 - Data de Depósito 25/02/2010 Data de Publicação .18/10/2011 (RPI 2128)
PATENTE PI0617206-7 A2 - Data de Depósito 15/09/2006 Data de Publicação :19/07/2011 (RPI 2115)
PATENTE PI 0600734-1 A - Data de Depósito 06/03/2006 Data de Publicação :20/11/2007 (RPI 1924)
PATENTE PI 1000523 A2 - Data de Depósito 25/02/2010 Data de
Publicação :18/10/2011 (RPI 2128)
EP 2248886 A2
US 005942116
US 004274838
US 20Í0/0159571A1
PROBLEMAS
Os principais problemas das aplicações atuais têm sido:
As soluções citadas nos pontos 1 e 2 acima acarretam um aumento dos custos para os nutrientes e o milho, neste último caso incluindo também o aumento dos tempos de retenção nos digestores.
A solução ao ponto 3, que oferece incrementos na produtividade de até 30% através de aditivação na biomassa nos digestores de bactérias e enzimas alóctones, comporta um certo perigo em termos de bio-segurança, tanto que a regulamentação em propósito é restritiva para as importações e as autoridades ambientais são arredias a conceder liberdade nesse sentido. As soluções de automação ao ponto 4 tem tido eficiência limitada devido ao escasso controle do equilíbrio biológico e à falta de um gerenciamento de processo especificamente voltado para otimização da produção de biogás. Deve-se considerar também que o tempo necessário para completar a biodigestão, em média 30/40 dias, comporta uma grande dimensão dos digestores em uso, cujo volume é igual ao volume da biomassa carregada multiplicado por os dias necessários para completar a biodigestão. Isto em consideração do fato que a carga diária em entrada transita pelo biodigestor para ser finalmente retirada como lodo residual, que uma vez desidratado se torna compost, na seção de saida somente depois de 30/40 dias.
Além dos custos de investimento maiores que um biodigestor maior comporta, devem ser levados em conta os tempos de repristinação em caso de parada e os custos a serem enfrentados em caso de parada em uma planta onde a repartida só pode ser dada depois de esvaziar completamente o biodigestor.
Finalmente, deve ser considerado que geralmente as soluções que priorizam os aspecto relativos ao abatimento da carga polluente até ela ficar dentro dos limites legais, acabam deixando um compost de má qualidade, devido à presença de frações não completamente digeridas.
SOLUÇÃO EM LINHA GERAL
O ponto de partida é uma inversão do ponto de vista clássico da biodigestão anaeróbia, que considera como prioridade a disposição de resíduos poluentes. Desta forma o processo è direcionado para o abatimento das cargas poluidoras inerentes aos resíduos, com base nos limites determinados pelas leis em vigor, sem portanto se preocupar em desfrutar completamente do conteudo de energia potencial daqueles mesmos resíduos que estão sendo processados.
Nesta invenção a prioridade é dada ao potencial energético dos resíduos orgânicos, portanto à produção de biogás e energia. A partir da potencialidade energética dos diferentes resíduos orgânicos, torna-se prioridade um gerenciamento avançado do processo, com incrementacâo e estabilização da quantidade e qualidade de biogás produzido.
A partir de qualquer tipo de resíduo orgânico e de sua potencialidade energética assim como constando na literatura ou nas aplicações práticas, o sistema inventado possibilita uma incrementacâo e aceleração da metanogênese e sua estabilização no tempo. Para isso, monitora o processo em tempo real, considerando suas variações no tempo, com base em receitas avaliadas em análises prévias de laboratório, elaboradas caso por caso, que consideram a atividade dos metanógenos, e o equilíbrio dos nutrientes e das outras variáveis de processo como pH, temperatura, etc. O sistema monitora e intervem nos processos bacterianos responsáveis pela metanogênese e em todas as variáveis físíco-químicas de processo por meio de um sistema hardware e software que acelera e potencia o processo, estabilizando ao mesmo tempo a atividade microbiológica.
0 conjunto das componentes biotecnológicas e informáticas constitue o essencial desta invenção: um processo de culturas biológicas, desenvolvido com base em um bio-acelerador, integra-se ao sistema dos digestores anaeróbios por meio de um Sistema Experto de conexões hardware e de um software dedicado de gerenciamento e de interação com um Database de receitas.
DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A figura 1 representa o fluxograma do Processo de produção de biogás com alto teor de metano, objecto da invenção, em plantas de biodigestão anaeróbia.
1 Resíduos Orgânicos, que alimentam a planta. 2 Misturador/Homogeneizador de Acumulação
3 Biodigestor Anaeróbio
4 Dispositivo de Aceleração
5 Sistema Experto
6 Sistema de Automação e Controle da Planta
7 Compost
8 Estação de Separação de Lodos e Tratamento Águas 9 Biogás
10 Turbinas ou Motores
11 Gerador Elétrico
12 Tanque de água tratada
13 Filtro Biogás
A figura 2 representa os esquemas de funcionamento componentes do/s Dispositivo de Aceleração (4).
41 Tanque Estanque.
42 Meios de recirculação, retirada e reintroduçâo da carga
43 Meios de controle da temperatura.
44 Meios de introdução de aditivos e nutrientes
45 Sensores de Monitoramento de:
Pressão (P)
Porcentagem de Metano (CH4)
Vazão de Biogás (biogás)
Temperatura (T)
PPM de carbono, nitrogénio e fósforo (C:N:P)
Grau de acidez/basicidade (pH)
Condutividade elétrica (mS) Oxidorredução (Rdx)
Turbidez (TU)
46 Meios de amostragem e análise biológica.
47 Reservatórios químicos para o controle do pH
48 Reservatório de gás metano
A figura 3 representa o esquema funcional do Sistema Experto (5)
501 CLP Controlador Lógico Programmavel e automação elétrica do Dispositivo de Aceleração (4)
502 Estação de controle principal
503 Servidor dos programas e modelos matemáticos
504 Servidor da Base de dados
505 Interface com o Sistema de Automação e Controle (6) da Planta
506 Programa de Conexão e Automação
507 Programas de Monitoragem
508 Programas de elaboração das receitas
509 Dados de entrada no sistema experto
510 Programas de elaboração do Database
Nos esquemas das figuras 1,2 e 3 as linhas seguem o padrão internacional para os esquemas funcionais. Especificamente a linha tracejada com bolinha e traços oblíquos representa as conexões elétncas, a linha com ondulações sobrepostas mostra o percurso dos gases, a linha contínua representa as conexões funcionais de serviço. Os fluxos dos materiais são representados pela linha tracejada grossa.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
Relativamente à figura 1 os Resíduos Orgânicos (1) são carregados no Misturador/Homogeneizador de Acumulação (2), com a finalidade de homogeneizar a carga e criar uma acumulação de resíduos igual a 3 ou 4 dias de estocagem da carga diária, para assim garantir a alimentação em contínuo do Biodigestor Anaeróbio (3), que será de preferência o mais apropriado para tratar a tipologia de Resíduos Orgânicos (1) em ingresso, mas que de acordo com a invenção terá um volume total inferior em 30/40% em relação aos digestores empregados em plantas tradicionais, consequência da correspondente redução do tempo de retenção do processo, efeito da aceleração induzida na multiplicação das bactérias metanogênicas que se realiza pela ação combinada do Dispositivo de Aceleração (4) e do Sistema Experto (5). Cabe destacar que no Misturador/Homogeneizador (2) de Acumulação acontece também a fase hidrolítica preliminar que antecede as sucessivas fases acidogênica e metanogênica que se realizam no Biodigestor Anaeróbio (3).
Do Biodigestor (3) se obtém respectivamente, na abobada de fechamento superior o Biogás (9) com alto teor de metano e, na seção de saida, o Compost (7), após separação da fração aquosa.
O Biogás (9), assim obtido, è purificado dos contaminantes corrosivos e filtrado pelo Filtro (13) e successivamente enviado para o Motor ou Turbina (10) para acionar o Gerador (11). A água de separação do Compost (7) em saida do Biodigestor Anaeróbio (3) é tratada na Estação de Separação de Lodos e Tratamento Aguas (8) e disponibilizada no Tanque de água tratada (12).
O Sistema de Automação e Controle da Planta (6), sob a supervisão do Sistema Esperto (5) provê ao gerenciamento automático da planta.
A aceleração da multiplicação das bactérias metanogênicas é realizada de acordo com a sequência seguinte: -a) uma fiação igual a K vezes a carga diária do Biodigestor Anaeróbio (3), coletada de qualquer forma, é enviada a um ou mais Dispositivos de Aceleração (4) da multiplicação das bacténas metanôgenicas autóctones presentes nos Resíduos Orgânicos (1) e ali permanece até que a concentração final Cf dessas bactérias metanogênicas seja igual a M vezes a Concentração inicial Ci.
-b) uma vez obtida a Concentração final Cf das bactérias metanogênicas a fiação prelevada deixa o Dispositivo de Aceleração (4) para ser reenviada para o Biodigestor Anaeróbio (3), de preferência mas não exclusivamente, nas seções de ingresso de dito Biodigestor Anaeróbio (3), onde é misturada e distribuída em toda a carga diária.
-c) Ciclos sucessivos di durata D das operações acima descritas em a) e b) são repetidos, sendo que o parâmetro K assume um valor numérico entre 10" e 10" , que o parâmetro M assume um valor entre 10 e 10 e que o parâmetro D varia entre 8 e 24 horas.
Relativamente à figura 2, conforme a invenção o Dispositivo de Aceleração (4) é constituído por um Tanque Estanque (41) no qual é induzida uma atmosfera de gás metano e no qual são presentes:
-a) meios de recirculação, retirada e reintrodução da carga (42).
-b) meios de controle da temperatura (43) de forma a garantir uma temperatura dentro do acelerador entre 20°C e 65°C.
~c) meios de introdução de aditivos e nutrientes de forma a assegurar o balanço de carbono, nitrogénio e fósforo (44).
-d) meios (45) de medição e análise da Temperatura (T), da pressão (P) , da Porcentagem de Metano (CH4), da Vazão de Biogás (biogás), dos PPM de carbono, nitrogénio e fósforo (C:N:P), do Grau de acidez/basicidade (pH), da Condutividade elétrica (mS), da Oxidorredução (Rdx) e da Turbidez (TU)
-e) meios de amostragem e análise biológica (46) aptos para medir o desenvolvimento das bactérias.
-f) Reservatórios químicos de corretores ácido/básicos para a manutenção do pH (47) entre 5 e 8.
-g) Reservatório de Gás metano (48) que pode ser alimentado pelo próprio biogás produzido pela planta, previamente filtrado.
As operações, regulações, medições e controles acima descritos e a seguir melhor detalhadose, são finalizadas à criação do micro-ambiente ideal para a multiplicação acelerada das cepas metanogênicas autóctones presentes nos Resíduos Orgânicos (1).
De fato trabalhando com uma fiação reduzida (K) dos resíduos a serem tratados, em um ambiente totalmente sob controle, torna-se significativamente mais viável conduzir o processo biológico na direção desejada. Consideramos a título de exemplo uma planta média que trate 100 ton/dia de Resíduos Orgânicos (1) e que envie ao Dispositivo de Aceleração (3) uma fração K=1%, portanto uma tonelada de Resíduos Orgânicos (1) que, considerando uma densidade muito próxima àquela da água, é equivalente a um metro cúbico dentro do Dispositivo de Aceleração (4). Este é um ambiente mais fácil para se controlar de que um Biodigestor Anaeróbio (3) que, no caso de uma planta tradicional, teria um volume de 3000 metros cúbicos (30 dias X 100 metros cúbicos), portanto 3000 vezes superior.
Através do Sistema de Recirculação (42), do Controle do pH (47) e da Temperatura (43) é possível acelerar tanto a hidrolise como a acidogênese, que são as fase preliminares de disgregação das moléculas complexas de proteínas, gorduras e carboidratos que compõem os Resíduos Orgânicos (1). Estas fases são preliminares à metanogênese que se realiza pela ação das várias bactérias metanogênicas, que dentro da matéria encontam-se em competição com outras cepas bacterianas (aeróbias, anaeróbias e facoltativas), e que tem inicialmente uma concentração Ci relativamente baixa (algumas milhares por grama) nos Resíduos Orgânicos
(1).
Graças à borbulhagem do metano vindo do Reservatório (48), que é introduzido em contrafluxo com o material a ser processado, e à adição dos Nutrientes (47) necessários ao balanço de Carbono Nitrogénio e Fósforo (em quantidades 3000 vezes inferiores àquela que seria necessário acrescentar no Biodigestor Anaeróbio (3) tradicional), cria-se um ambiente decisamente favorável ao desenvolvimento de bactérias metanogênicas autóctones presentes, que nestas condições podem se multiplicar alcançando a concentração final Cf perto de um bilhão por grama em tempos relativamente curtos em função dos substratos utilizados a das condições ambientais criadas.
O controle do nível de proliferação unicamente das cepas metanogênicas realiza-se através da série de instrumentos (45) citados, em cooperação com os meios de amostragem e análise biológica (46) aptos para medir o desenvolvimento das bactérias.
No exemplo em questão com uma concentração inicial Ci=5000 bactérias por grama e uma concentração final Cf=500.000.000 de bactérias por grama relevados pelos meios de amostragem e análise biológica (46), nota-se como por meio deste Dispositivo de Aceleração (4) desenvolvemos um fator de multiplicação M= 100.000.
Sucessivamente, continuando no mesmo exemplo, quando a tonelada de Resíduos Orgânicos (1) tratados no Dispositivo de Aceleração (4), é reenviada para o Biodigestor Anaeróbio (3), de preferencia, na seção de ingresso, misturando-se com as outras 99 toneladas presentes, o fator de multiplicação resultante Mr toma-se Mr=M x K=1000, a dizer as bactérias metanogênicas autóctones presentes tem se tornado 1000 vezes mais numerosas relativamente às outras bactérias: isto acelera a produção de Biogás (9) elevando ao mesmo tempo a porcentagem de metano nele contida.
A essa altura novos ciclos de retirada de biomassa e restituição potenciada são reiniciados com duração D successivamente decrescente.
De acordo com uma variante da invenção a fiação K dos Resíduos Orgânicos (1) pode ser retirada também de seções intermediárias do Biodigestor Anaeróbio (3) e reenviada potenciada tanto na seção de ingresso do Biodigestor Anaeróbio (3) como em outras seções: neste caso a duração D será inferior:
De acordo com a invenção, na fase inicial de carregamento da planta a fiação K dos Resíduos Orgânicos (1) poderá ser prelevada diretamente do Misturador/Homogeneizador de Acumulação (2) para sucessivamente ser reenviada potenciada para o mesmo o para a seção de ingresso do Biodigestor Anaeróbio (3).
Conforme à figura 3, a sequência das operações relativas ao funcionamento do Dispositivo de Aceleração (4) são realizadas de forma automática por um Sistema Experto (5) constituído por:
-a) CLP Controlador Lógico Programmavel e automação elétrica (501) do Dispositivo de Aceleração (4)
-b) Estação de controle principal (502) onde realiza-se a supervisão do Dispositivo de Aceleração (4), com a visualização dos sinóticos de controle deste último e de toda a planta através da Automação e Controle da Planta (6).
-c) Servidor dos programas e modelos matemáticos (503), onde encontramse instalados todos os programas relativos ao desenvolvimento dos programas de gestão.
-d) Servidor da Bases de dados (504) de controle do micro-ambiente de multiplicação acelerada das bactérias metanogênicas autóctones.
-e) Interface (505) com o sistema de Automação e Controle (6) do Biodigestor Anaeróbio (3) e de toda a planta.
~f) Programa de Conexão e Automação (506), os programas que permitem as conexões com as diferentes partes do sistema de automação -g) Programas de Monitoragem (507) que permite de transformar, visualizar e registrar os dados de processo online.
- h) Programas de Elaboração das Receitas (508) que permitem a elaboração no Database das receitas derivadas das curvas de evolução dos parâmetros medidos pelos instrumentos (45) e obtidos pelas dosagens dos atuadores como também dos dados de entrada de laboratório e do histórico de outras plantas.
-i) Dados de entrada ao sistema experto (509) que podem ser locais (operador) ou remotos.
-l) Programas de elaboração do Database que gerência os dados no servidor e os dispõem em função dos requerimentos dos programas acima descritos. A arquitetura descrita acima permite o controle completo das fases de processo e multiplicação das bactérias metanogênicas autóctones no Dispositivo de Aceleração (4).
Os algoritmos baseados na derivação e análise dos trends permite que os parâmetros e os acionamentos (com base em algoritmos da lógica difusa (Fuzzy Logic) sejam encaminhados automaticamente para as necessidades preestabelecidas do processo.
Mesmo partindo de dados de ingresso aproximados, o sistema performa autocorreção promovendo automaticamente as variações úteis para o aumento do processo metanogênico.
Por exemplo o sistema releva através de receitas e modelos matemáticos que a multiplicação está avançando se:
Turbidez em aumento
pH entre 5 e 6,8
%CH4 em aumento
Fluxo de biogás em aumento
Temperatura dentro da faixa ideal de acordo com cada fase
Etc.
O Sistema Experto (5) também controla através a Estação de controle principal (502) o Sistema de Automação e Controle (6) da Planta , através da conexão Interface (505) com dito Sistema de Automação e Controle (6) da Planta , para forçar o alinhamento dos parâmetros aptos para reprodução, no Biodigestor Anaeróbio (3), do mesmo microambiente criado dentro do Dispositivo de Aceleração (4), conseguindo a incrementação da produção de Biogás (9) e a porcentagem de metano contida no mesmo. O operador humano pode acompanhar o desenvolvimento do processo e da automação na tela da Estação de controle principal (502),
Caso se verifiquem situações novas não contempladas pela elaboração atual o operador pode intervir manualmente e o sistema registrará a situação e aprenderá a nova intervenção automaticamente.
De acordo com a presente invenção o Sistema Experto (5) utilíza-se das análises e dos parâmetros relevados durante o monítoramento do processo de biodigestão para formular receitas de correção na composição do Compost (7) em saída do Biodigestor Anaeróbio (3), com a finalidade de incrementar seu poder fertilizante.
De acordo com a presente invenção o Sistema Experto (5) utiliza-se das análises e dos parâmetros relevados durante o monítoramento do processo de biodigestão para regular a Estação de Separação de Lodos e Tratamento Águas (8), de forma a tornar mais eficiênte a produção de água em ingresso no Tanque de água tratada ( 12).
Para não tornar mais pesado o esquema da figura 1 não foram representados s cicuitos de arrefecimento dos Motores/Turbinas (10) que permitem a utilização da energia térmica, em cogeração, para o aquecimento do Biodigestor Anaeróbio (3) e , em trigeração, através de bombas de calor, para alimentação dos condicionadores de ar.
O Biogás (9) produzido também pode ser ulteriormente tratado para produção de gás metano com características similares àquelas do gás natural, podendo sucessivamente ser utilizado como o gás natural doméstico, industrial ou veicular.
Em conclusão, a planta conforme a invenção aqui apresentada, partindo de Resíduos Orgânicos (1), produz Energia Elétrica (11), energia térmica, água tratada (12) e Compost (7) que pode ser transformado com facilidade em fertilizante orgânico e, caso seja requerido, gas natural ( biogás refinado com 97-99% CH4). Isso tudo com investimentos de capital reduzidos graças ao menor dimensionamento do biodigestor (-30%) e con rendimentos 10% superiores em termos de produção de biogás graças à biodigestão acelerada que desfruta plenamente do conteudo de sólidos voláteis. Contemporaneamente o aumento em cerca de 15% da porcentagem de metano contido no biogás produzido que passa do CH4=60% que é a média das plantas tradicionais até o CH4=75% no caso da presente invenção.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1. Processo anaeróbio de produção de biogás e metano por biodigestão de um ou mais tipos de Resíduos Orgânicos (1) enviados a um Misturador/Homogeneizador de Acumulação (2) que em seguida carrega um Biodigestor Anaeróbio (3), de preferência mas não exclusivamente do tipo mais apto para tratar aquele tipo de resíduos (1), CARACTERIZADO pelo feio de:
-a) uma fiação igual a K vezes a carga diária do Biodigestor Anaeróbio (3), coletada de qualquer forma, é enviada a um ou mais Dispositivos de Aceleração (4) da multiplicação das bactérias metanogênicas autóctones presentes nos Resíduos Orgânicos (1) e ali permanece até que a Concentração final Cf dessas bactérias metanogênicas seja igual a M vezes a Concentração inicial Ci.
-b) uma vez obtida a Concentração final Cf das bactérias metanogênicas a firação prelevada deixa o Dispositivo de Aceleração (4) para ser reenviada para o Biodigestor Anaeróbio (3), de preferência mas não exclusivamente, nas seções de ingresso de dito Biodigestor Anaeróbio (3), onde é misturada e distribuída em toda a carga diária.
-c) Ciclos sucessivos de duração D, de preferência decrescentes, das operações acima descritas em a) e b), são repetidos.
2. Processo conforme à reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato que o parâmetro K assume um valor numérico entre 10-3 e 10-1 . que o parâmetro M assume um valor entre 103 e 107 e que o parâmetro D asume um valor entre 24 e 8 horas.
3. Processo conforme às reivindicações 1 e 2, CARACTERIZADO pelo feto que o Dispositivo de Aceleração(4) é constituído por um Tanque Estanque (41) no qual é induzida uma atmosfera de gás metano e no qual são presentes:
-a) meios de recirculação, retirada e reintrodução da carga (42).
-b) meios de controle da temperatura (43) de forma a garantir uma temperatura dentro do acelerador entre 20°C e 65°C.
-c) meios de introdução de aditivos e nutrientes de forma a assegurar o balanço de carbono, nitrogénio e fósforo (44).
-d) meios (45) de medição e análise da Temperatura (T), da pressão (P) , da Porcentagem de Metano (CH4), da Vazão de Biogás (biogás), dos PPM de carbono, nitrogénio e fósforo (C:N:P), do Grau de acidez/basicidade (pH), da Condutividade elétrica (mS), da Oxidorredução (Rdx) e da Turbidez (TU)
-e) meios de amostragem e análise biológica (46) aptos para medir o desenvolvimento das bactérias.
-f) Reservatórios químicos de corretores ácido/básicos para a manutenção do pH (47) entre 5 e 8.
-g) Reservatório de Gás metano (48) que pode ser alimentado pelo próprio biogás produzido pela planta, previamente filtrado.
4. Processo conforme às reivindicações 1, 2 e 3, CARACTERIZADO pelo fato das operações, regulações, medições e controles, descritos em ditas reivindicações, serem finalizadas para criação do micro-ambiente ideal para a multiplicação acelerada das cepas metanogênicas autóctones presentes em ditos Resíduos Orgânicos (1).
5. Processo conforme à reivindicação 4., CARACTERIZADO pelo fato das operações descritas em dita reivindicação serem realizadas de forma automática mediante um Sistema Experto (5) constituído por: -a) CLP Controlador Lógico Programmavel e automação elétrica (501) do Dispositivo de Aceleração (4)
-b) Estação de controle principal (502)
-c) Servidor dos programas e modelos matemáticos (503)
-d) Servidor da Bases de Dados (504) de controle do mícro-ambiente de multiplicação acelerada das bactérias metanogênicas autóctones.
~e) Interface (505) com o sistema de Automação e Controle (6) do
Biodigestor Anaeróbio (3) e de toda a planta.
-f) Programa de Conexão e Automação (506)
-g) Programas de Monitoragem (507)
-h) Programas de elaboração das receitas (508)
-i) Dados de entrada no sistema experto (509)
-1) Programas de elaboração do Database (510)
Interconectados fisicamente e logicamente com algoritmos baseados na derivação e análise dos trends e em algoritmos da lógica difusa (fuzzy logic) finalzados tanto para as necessidades preestabelecidas do processo que para realizar o autoaprendimento, promovendo automaticamente as variações úteis para a incrementação do processo metanogênico.
6. Processo conforme as reivindicações precedentes, CARACTERIZADO pelo fato do Sistema Experto (5), objeto da reivindicação 5. se interfacear com o Sistema de Automação e Controle (6) da Planta, para forçar o alinhamento dos parâmetros aptos para reprodução, no Biodigestor Anaeróbio (3), do mesmo microambiente criado dentro do Dispositivo de Aceleração (4), conseguindo a incrementação da produção de Biogás (9) e a porcentagem de metano contida no mesmo.
7. Processo conforme as reivindicações precedentes, CARACTERIZADO pelo feto que durante as fases de carregamento inicial dos Resíduos Orgânicos (1), o Dispositivo de Aceleração (4) pode ser alimentado diretamente pelo Misturador/Homogeneizador de Acumulação (2), restituindo a este o material biológico potenciado de acordo com o mecanismo descrito na reivindicação 1.
8. Processo conforme as reivindicações precedentes, CARACTERIZADO pelo feto que o Sistema Experto (5) utiliza-se das análises e dos parâmetros relevados durante o monitoramento do processo de biodigestão para formular receitas de correção na composição do Compost (7) em saída do Biodigestor Anaeróbio (3), com a finalidade de incrementar seu poder fertilizante.
9. Processo conforme as reivindicações precedentes CARACTERIZADO pelo fato que o Sistema Experto (5) utiliza-se das análises e dos parâmetros relevados durante o monitoramento do processo de biodigestão para regular a Estação de Separação de Lodos e Tratamento Águas (8).
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