Modelagem da produção de metano e do balanço energético em biodigestores modelo lagoa coberta

Abstract

Os biodigestores modelo lagoa coberta (BLC) tem sido amplamente empregado no Brasil, especialmente no tratamento dos efluentes de suinocultura. Entretanto há necessidade de parâmetros de projeto mais apropriados à realidade brasileira. Assim, neste estudo propôs-se a avaliação e o aprimoramento de modelos de estimativas de produção de metano e simulação de balanços energéticos, em BLC, para auxílio na projeção destes. Para isso, foram avaliados quatro modelos matemáticos para a estimativa de biogás já consolidados na literatura sendo eles, modelo de Chen-Hashimoto (CHEN, 1983), CETESB (2006), Conversão de DQO (CHERNICHARO, 2016) e IPCC (2006), com proposição de ajustes em casos cabíveis de aprimoramento. Foram avaliados, ainda, dois modelos de simulação do balanço energético em BLC no software EnergyPlus, com uma e duas zonas térmicas. Para aplicação e simulação dos modelos, foram utilizados dados obtidos por meio de monitoramento de BLC em escala plena instalados em uma granja suinícola em Teixeiras - MG. Os coeficientes e dados adicionais foram selecionados na literatura disponível. A média mensal dos resultados dos modelos matemáticos foi comparada com a produção monitorada na granja (P real ), por meio do teste T para um nível de significância de 5%. O erro médio (BIAS) foi utilizado para termos comparativos da qualidade dos modelos matemáticos. Os modelos de simulação do balanço energéticos foram avaliados pelos indicadores de desempenho Raiz do erro quadrático médio (REQM) e Raiz do erro quadrático médio relativo (REQMR). O modelo do IPCC e de Chen-Hashimoto foram iguais estatísticamente a P real (405,0 m 3CH4 d -1 ), já o modelo da CETESB e de Conversão de DQO necessitaram de ajustes, encontrando melhor desempenho qualitativo do modelo da CETESB após ajustes, com BIAS de 12,2 m 3CH4 d -1 . Quanto à simulação de balanço energético, o modelo de simulação com duas zonas térmicas, de modo geral, apresentou melhor desempenho e fidedignidade as temperaturas do biogás e biomassa residente em biodigestores modelo lagoa coberta, especialmente no período de inverno (REQM de 1,9 ° C e 4,2 ° C e REQMR de 9,0% e 24,6%, para biomassa e biogás, respectivamente). Os resultados deste trabalho possibilitaram o aprimoramento de estimativas da produção de biogás e de modelos de simulação das temperaturas e ganhos energéticos em biodigestores modelo lagoa coberta, fornecendo informações concisas para auxílio na projeção de biodigestores. Palavras-chave: Biogás. Dejetos suínos. Digestão anaeróbia. Modelos.

Covered lagoon biodigesters (CLB) have been widely used in Brazil, especially in the treatment of pig farming effluents. However, it is necessary to apply design parameters more appropriate to the Brazilian reality. Thereby, this study proposed to evaluate and improve models for estimating methane production and simulating energy balances in CLBs, in order to aid their projection. For this, four consolidated mathematical models were evaluated to estimate biogas production, namely: Chen-Hashimoto model (CHEN, 1983), CETESB (2006), COD Conversion (CHERNICHARO, 2016) and IPCC (2006). In addition, adjustments have been proposed in models that could be improved. Two different models of CLB energy balance simulation using the software Energy Plus were evaluated: with one and two thermal zones. The data for modeling and simulation were obtained through monitoring of a full-scale CLB installed in a pig farm in Teixeiras - MG. The coefficients and additional data were selected from the literature. The monthly average of the mathematical model’s results was compared with the production monitored on the farm (P actual ), using the test T for a significance level of 5%. The mean bias error (MBE) was used to compare the mathematical model’s quality. The energy balance simulation models were evaluated by the performance indicators: Root mean squared error (RMSE) and the Root relative squared error (RRSE). The IPCC and Chen-Hashimoto models were statistically equal to P actual (405.00 m 3CH4 d -1 ). The CETESB and COD Conversion models needed adjustments. After the adjustments, the CETESB model achieved a better qualitative performance, with an MBE of 12.21 m 3CH4 d -1 . Regarding the energy balance simulation, the simulation model with two thermal zones, in general, showed a better performance and a higher reliability at the biogas and resident liquid temperatures inside the covered lagoon biodigesters. These results were even more evident in the winter period with RMSE of 1.88°C and 4.21°C; and RRSE of 9.02% and 24.56% for resident liquid and biogas, respectively. The results of this research contributed to improve estimates of biogas production and simulation models of temperatures and energy gains in covered lagoon biodigesters, providing concise information in order to aid in the biodigesters projection. Keywords: Biogas. Swine manure. Anaerobic digestion. Models.