Submitted by Viviane Lima da Cunha (viviane@biblioteca.ufpb.br) on 2017-07-18T14:54:26Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2811509 bytes, checksum: d48a2ec4448b8cba5418b6ea72e08048 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-18T14:54:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2811509 bytes, checksum: d48a2ec4448b8cba5418b6ea72e08048 (MD5) Previous issue date: 2016-09-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The urban solid waste is one of the main environmental problems noticed nowadays. Through time the models of treatment and destination of residues (waste) more commonly used were incineration and landfill. Landfill, specifically, generates, from the decomposition of the organic fraction, solid urban waste gases which can be used in the production of energy. This generation of gas can also be in smaller scale using biodigesters, attending the demands of small communities, such as Universidade Federal da Paraíba Campus I. Within this context, this work aims to evaluate and compare the functioning of biodigesters to determine the most adequate solution for implantation at UFPB Campus I using organic waste from the University restaurant. Nowadays the university restaurant's waste is sent to Aterro Sanitário Metropolitano de João Pessoa, a landfill, generating a daily average of 513,77kg of organic waste. For the analysis of a more adequate model, some criteria were considered, such as the facility and cost of implantation, operation mode, efficiency in treatment, income and applied technology, being selected the following: Biodigester in batch (simplified model), Indian Biodigester, Chinese Biodigester, Ferreira’s Biodigestor (2015), Fernandes’s Biodigestor (2013) and Reis’s Biodigestor (2012), which were compared in terms of Moisture Content and the efficiency in removal of solids, Temperature, Organic Loading Rate, Potential of Hydrogen, alkalinity, production and concentration of methane. It was found that the biodigesters in batch (simplified model), Indian and Chinese, were not adequate for attending the proposed objective. After analyzing the diverse parameters, it was found that many can be used for comparison. The analysis of the moisture content and the efficiency of removal of volatile contents, such as temperature were not considered as parameters of decision for choosing the best option, since they all had similar characteristics. The organic loading rate for the biodigesters with batch supply did not present itself as a limiting factor, however, for the continuous supply, which is the case of the Ferreira (2015) model, it interfered directly in its functioning. In terms of pH, Ferreira (2015) had maintenance difficulties, Reis (2012) managed to stabilize it and Fernandes (2013), although obtained high values, understood to be within the acceptable and propitious pH levels to the production of biogas. The concentration of methane in the Ferreira (2015) model presented average values of 59%, while Reis (2012) and Fernandes (2013) obtained average methane concentration near 70%, presenting itself more efficient. Given that, the biodigester of Reis (2012) model presented itself as the more viable for reproduction at UFPB Campus I for the ends of production of biogas from the decomposition of waste generated at the university restaurant, having the necessity of implantation of 13 biodigesters as a way to a semiannual generation source. / Os resíduos sólidos urbanos são um dos principais problemas ambientais observados na atualidade. Ao longo do tempo os modelos de tratamentos e disposição de resíduos mais utilizados foram a incineração e o aterro sanitário. No caso específico do aterro, este gera, a partir da decomposição da fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos, gases que podem ser utilizados na produção de energia. Essa geração de gás pode se dar também em pequena escala,com a utilização de biodigestores, podendo atender a pequenas comunidades, como é o caso do Campus I da Universidade Federal da Paraíba. Diante desse contexto, o objetivo deste trabalho foi avaliar e comparar o funcionamento de biodigestores para determinação da solução mais adequada para a implantação no referido Campus utilizando resíduos orgânicos provenientes do Restaurante Universitário. Atualmente, a disposição dos resíduos sólidos gerados no RU/UFPB é o Aterro Sanitário Metropolitano de João Pessoa, sendo diariamente gerada uma média de 513,77 kg de resíduos orgânicos. Para a análise do modelo de biodigestor mais adequado foram considerados alguns critérios, tais como facilidade e custo para a implantação, modo de operação, eficiência no tratamento, rendimento e tecnologia aplicada, sendo selecionados os seguintes: Biodigestor em Batelada (modelo simplificado), Biodigestor Indiano, Biodigestor Chinês, Biodigestor de Ferreira (2015), Biodigestor de Fernandes (2013) e Biodigestor de Reis (2012), os quais foram comparados em função do Teor de Umidade e eficiência de remoção de sólidos, Temperatura, Carga Orgânica Volumétrica, Potencial Hidrogeniônico (pH), Alcalinidade, Produção e Concentração de Metano. Verificou-se que os Biodigestores em Batelada (modelo simplificado), Indiano e Chinês não seriam adequados para atendimento do objetivo proposto. Ao analisar os diversos parâmetros verificou-se que vários podem ser usados para fins de comparação. A análise do teor de umidade e da eficiência da remoção de sólidos voláteis, bem como temperatura não se apresentou como parâmetro de decisão para seleção da melhor opção, uma vez que todos possuíam características semelhantes. A carga orgânica volumétrica para os biodigestores com abastecimento em batelada não se apresentou como um fator limitante. No entanto, para o abastecimento contínuo, caso do modelo de Ferreira (2015), interferiu diretamente no seu funcionamento. No que diz respeito ao pH, Ferreira (2015) teve ainda dificuldade em sua manutenção, Reis (2012) conseguiu estabilizá-lo e Fernandes (2013), apesar de obter altos valores, entendeu que estava dentro de faixas aceitáveis e favoráveis de pH à produção do biogás. A concentração de metano no modelo de Ferreira (2015) apresentou valores médios de 59%, enquanto que os modelos de Reis (2012) e Fernandes (2013) obtiveram concentrações médias de metano próximo a 70%, mostrando-se mais eficientes. Diante disso, o modelo de biodigestor de Reis (2012) se apresentou como o mais viável para reprodução no Campus I da UFPB com a finalidade de produção de biogás a partir da decomposição dos resíduos gerados no RU, sendo necessária a implantação de 13 biodigestores de forma a atender à geração semestral.

From the steady rise in dairy farm closures to concerns over algae blooms in Lake Champlain, Vermont’s dairy industry is facing a multitude of challenges. While many potential solutions have been proposed, this study focuses specifically on community anaerobic digester systems (CADS) to aid in manure management, help to mitigate runoff, produce renew energy, and even provide an alternative revenue source to participating farms. CADS technology converts the gas emissions from manure and other organic substances into biogas through a process called anaerobic digestion. Unlike traditional on-farm biodigesters, which are often only financially viable for the largest dairy farms, CADS are able to accept both manure from multiple dairy farms and food waste from the surrounding community. In Vermont, consumers can purchase biogas-produced electricity from biodigesters in the state for an additional cost through Green Mountain Power’s Cow Power program. However, little research has been conducted regarding the success of CADS-produced electricity on the consumer market. This thesis focuses on two surveys conducted in Randolph, Vermont and Addison County exploring attitudes of local biodigesters in relation to other renewable energy sources available to consumers, as well as issues related to composting and recycling. The objective of this study is to provide policy makers and biodigester operators a better understanding of community attitudes of biodigesters compared to other renewable energy systems, as well as willingness to participate in paid services that could support the operation of the biodigesters. In 2017, a survey was distributed to households in Randolph, the location of the Vermont Technical College CADS, through the local newspaper. A second survey was also conducted in 2019, distributed via newspaper to residents in Addison County, a dairy county home to four operational biodigesters. Results from the 2017 survey suggest that there is generally a low willingness to pay for the Cow Power program and food waste removal services that support biodigesters, although targeted educational approaches focusing on how CADS benefit the community may improve attitudes towards them. The 2019 survey shows similar levels of willingness to participate and pay, although attitudes of biodigesters and public support for anaerobic digester technology were considerably higher. Through educational outreach efforts, community acceptance of biodigesters can be improved to avoid cancellation of projects due to lack of community support.

La digestion anaérobie, procédé d’énergie renouvelable, constitue un atout indéniable de récupération des flux matière et énergie des déchets en réponse aux enjeux du développement durable. Ainsi, la présente étude a pour objectif de contribuer à la compréhension des mécanismes qui gouvernent l’environnement réactionnel de digestion en anaérobie et les effets des digestats sur la matrice bio-physico-chimique des sols à vocation agricole. Le développement des tests de lixiviation en réacteurs contrôlés aérobie et anaérobie, les modes de mobilisation du contenu organo-minéral des substrats et la valorisation du biogaz pour l’équarrissage des bêtes ont été réalisés. Les verrous techniques et physico-chimiques entachant la digestion anaérobie des déchets d’ananas ont été levés et optimisés grâce à des co-substrats notamment les bouses de vache et les cendres. Les digestats ont été apportés sur des sols agricoles, des sols des zones de forêts et des milieux sans matière organique ni argiles et ont permis de déceler les limites d’utilisation des digestats et les interactions avec les fractions organiques et minérales du sol. Cette étude montre ainsi, l’importance de développer la filière de méthanisation pour une élimination durable des déchets organiques. / Anaerobic digestion, a renewal energy process, constitutes an undeniable asset of material and energy flows recovering in response to sustainable development issues. Thus, the aim of this current study was to contribute to the understanding of mechanisms that govern the reactive environment of anaerobic digestion and the effects of digestates on the biophysico- chemical matrix of agricultural soils sector. The running of leaching tests in aerobic and anaerobic controlled reactors, organo-mineral mobilizations patterns of the substrates and the valorization of biogas in slaughtered animals knackering have been realized. The physicochemical and technical locks tarnishing the pineapple wastes anaerobic digestion have been lifted and optimized through the co-substrates including cattle manure and ashes. The digestates have been brought on agricultural soils, forests areas soils and medium free of organic matter and clays and allowed to detect the limits of digestates uses and the interactions with organic and mineral fractions of soils. This study, thus show, the importance to develop the anaerobic digestion sector for a sustainable removal of organic wastes.

Submitted by Gustavo Chaves Tanaka (gustavotanakachaves@gmail.com) on 2018-08-15T14:18:30Z No. of bitstreams: 1 Tanaka, G. C. - Dissertaação Mestrado_2018.pdf: 1815626 bytes, checksum: a2a89dc96cd728c12e9a3fbac8c5aa62 (MD5) / Approved for entry into archive by Minervina Teixeira Lopes null (vina_lopes@bauru.unesp.br) on 2018-08-15T16:21:19Z (GMT) No. of bitstreams: 1 tanaka_gc_me_bauru.pdf: 1773178 bytes, checksum: b9e8d25c3e3fd8f7e43072082a01b175 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-15T16:21:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tanaka_gc_me_bauru.pdf: 1773178 bytes, checksum: b9e8d25c3e3fd8f7e43072082a01b175 (MD5) Previous issue date: 2018-06-07 / Atualmente pesquisas sobre a produção de energia com menor impacto ambiental, com maior rendimento energético e, possivelmente, a um custo mínimo de produção, são de interesse mundial. Desta forma, a produção de energia renovável, com estas características, através de biodigestores torna-se uma alternativa relevante. Os biodigestores, em geral, consistem de biorreator que armazena matéria orgânica fresca (substrato ou biomassa) de origem humana, animal ou vegetal. A fermentação anaeróbica destes substratos produz um gás combustível (biogás) que pode ser utilizado como fonte de energia e o material remanescente no biodigestor pode ser usado como biofertilizante. O processo de biodigestão é complexo, pois envolve vários grupos de bactérias e o seu entendimento é importante para promoção de agentes que visam aumentar a eficiência dos biodigestores. Neste trabalho propõe-se um modelo dinâmico não linear para descrever o processo de fermentação da biomassa dentro do biodigestor. Realiza-se também uma análise do modelo mediante a técnica de Lyapunov, a qual possibilitou a investigação de soluções analíticas assintoticamente estáveis e um estudo de seu espaço de fase, que contempla a sua estabilidade assintótica. Simulações numéricas são realizadas para a validação dos resultados obtidos ao modelo proposto. / Nowadays, research on energy production with lower environmental impact, with higher energy efficiency and, possibly, at a minimum cost of production, is of worldwide interest. In this way, the production of renewable energy, with these characteristics, through biodigesters becomes a relevant alternative. Biodigesters generally consist of a chamber that stores fresh organic matter (substrate or biomass) of human, animal or plant origin. Anaerobic fermentation of these substrates produces a fuel gas (biogas) that can be used as an energy source and the remaining material in the biodigester can be used as biofertilizer. The biodigestion process is complex because it involves several groups of bacteria and its understanding is important to promote agents that aim to increase the efficiency of biodigesters. This essay proposes a dynamic non-linear model to describe the fermentation process of an Indian biodigester. It is also proposed an analysis of the model using the Lyapunov technique, which became possible the investigation of asymptotically stable analytical solutions and asymptotic stability and a study of its phase space, which contemplates its asymptotic stability. Numerical simulations are performed to convalidate the proposed model.

O setor leiteiro brasileiro caracterizado por um grande número de produtores, que, porém, apresentam baixos índices de produtividade e qualidade. Em relação à qualidade, necessária a implantação de sistemas de resfriamento e conservação do leite na fazenda. Contudo, o investimento nesse tipo de equipamento muitas vezes inviabilizado pelos baixos volumes de produção, bem como pela não disponibilidade de energia elétrica na área rural. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho determinar qual a configuração ótima para o sistema de resfriamento de leite de uma fazenda leiteira de pequeno ou médio porte, que será inserida em um projeto de digestão anaeróbica no âmbito do Mecanismo de Desenvolvimento Limpo do Protocolo de Kyoto, implementado por uma empresa interessada na comercialização dos créditos de carbono. Como esse projeto disponibilizará ao produtor um insumo energético renovável e de baixo custo (o biogás resultante da digestão), a determinação da configuração ótima considerou dois possíveis cenários: o de um produtor que ainda não conta com um sistema para resfriamento de leite in loco, e o de um produtor que já conta com esse sistema, acionado por energia elétrica, e estuda a viabilidade de investir na geração de energia usando o biogás na substituição da energia elétrica adquirida da rede pública de distribuição. Foram analisados os aspectos técnicos ligados ao dimensionamento das configurações, avaliação do consumo dos diferentes insumos energéticos e quantificação dos créditos de carbono, bem como os aspectos econômicos envolvidos (investimentos, custos operacionais e de manutenção, recursos advindos da comercialização dos créditos de carbono). Foi também avaliado o impacto da introdução do sistema de refrigeração nos custos de produção do litro do leite e nos valores recebidos pelo produtor na venda do produto. A análise mostra que a utilização de um gerador acionado por um motor de combustão interna de ciclo Otto movido a biogás a melhor configuração para um novo sistema. Para sistemas já existentes, a substituição da compra de energia elétrica por geração in loco também uma alternativa interessante, ainda que apresente um tempo de retorno de investimento relativamente elevado para os padrões brasileiros. / The Brazilian dairy sector is characterized by a great number of producers, presenting low productivity and product quality. Concerning to quality, it is necessary the implantation of cooling systems for milk and conservation on farm. However, a low milk production level and the electric power availability on rural areas sometimes make unfeasible investments on these types of coolers. In this context, the goal of this work is to determine the best configuration of a milk cooling system for small and medium-scale dairy farms to be included in an anaerobic digestion project based on the Clean Development Mechanism of the Protocol of Kyoto. Such project is to be implemented by a company interested in commercialize the carbon credits generated. Once the project will provide to the farmer a renewable and low-cost energy resource (the biogas resulting of the anaerobic digestion), it was considered two possible sceneries: a producer that does not count on a cooling system, and a producer that may want to replace purchased electricity by a generation system based on a biogas-fueled engine to power an already existing system for milk cooling. The work analyzed several technical aspects connected to cooling system sizing, feasible configurations for supplying the cooling demand, evaluation of the consumption of the different energy inputs (electricity and biogas) of considered configurations. It was evaluated the carbon credits generation, as well as the involved economical aspects (investments, operational and maintenance costs, earnings from commercialization of carbon credits). It was also evaluated the impact of introducing the cooling system on milk production costs and values received by the producer. The analysis shows that a biogas-fueled Otto-engine electrical generator is the best configuration for a new system, and that the replacement of the electric power purchase for generation on farm is also an interesting alternative, although its payback time is relatively high for Brazilian standards.

O setor leiteiro brasileiro caracterizado por um grande número de produtores, que, porém, apresentam baixos índices de produtividade e qualidade. Em relação à qualidade, necessária a implantação de sistemas de resfriamento e conservação do leite na fazenda. Contudo, o investimento nesse tipo de equipamento muitas vezes inviabilizado pelos baixos volumes de produção, bem como pela não disponibilidade de energia elétrica na área rural. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho determinar qual a configuração ótima para o sistema de resfriamento de leite de uma fazenda leiteira de pequeno ou médio porte, que será inserida em um projeto de digestão anaeróbica no âmbito do Mecanismo de Desenvolvimento Limpo do Protocolo de Kyoto, implementado por uma empresa interessada na comercialização dos créditos de carbono. Como esse projeto disponibilizará ao produtor um insumo energético renovável e de baixo custo (o biogás resultante da digestão), a determinação da configuração ótima considerou dois possíveis cenários: o de um produtor que ainda não conta com um sistema para resfriamento de leite in loco, e o de um produtor que já conta com esse sistema, acionado por energia elétrica, e estuda a viabilidade de investir na geração de energia usando o biogás na substituição da energia elétrica adquirida da rede pública de distribuição. Foram analisados os aspectos técnicos ligados ao dimensionamento das configurações, avaliação do consumo dos diferentes insumos energéticos e quantificação dos créditos de carbono, bem como os aspectos econômicos envolvidos (investimentos, custos operacionais e de manutenção, recursos advindos da comercialização dos créditos de carbono). Foi também avaliado o impacto da introdução do sistema de refrigeração nos custos de produção do litro do leite e nos valores recebidos pelo produtor na venda do produto. A análise mostra que a utilização de um gerador acionado por um motor de combustão interna de ciclo Otto movido a biogás a melhor configuração para um novo sistema. Para sistemas já existentes, a substituição da compra de energia elétrica por geração in loco também uma alternativa interessante, ainda que apresente um tempo de retorno de investimento relativamente elevado para os padrões brasileiros. / The Brazilian dairy sector is characterized by a great number of producers, presenting low productivity and product quality. Concerning to quality, it is necessary the implantation of cooling systems for milk and conservation on farm. However, a low milk production level and the electric power availability on rural areas sometimes make unfeasible investments on these types of coolers. In this context, the goal of this work is to determine the best configuration of a milk cooling system for small and medium-scale dairy farms to be included in an anaerobic digestion project based on the Clean Development Mechanism of the Protocol of Kyoto. Such project is to be implemented by a company interested in commercialize the carbon credits generated. Once the project will provide to the farmer a renewable and low-cost energy resource (the biogas resulting of the anaerobic digestion), it was considered two possible sceneries: a producer that does not count on a cooling system, and a producer that may want to replace purchased electricity by a generation system based on a biogas-fueled engine to power an already existing system for milk cooling. The work analyzed several technical aspects connected to cooling system sizing, feasible configurations for supplying the cooling demand, evaluation of the consumption of the different energy inputs (electricity and biogas) of considered configurations. It was evaluated the carbon credits generation, as well as the involved economical aspects (investments, operational and maintenance costs, earnings from commercialization of carbon credits). It was also evaluated the impact of introducing the cooling system on milk production costs and values received by the producer. The analysis shows that a biogas-fueled Otto-engine electrical generator is the best configuration for a new system, and that the replacement of the electric power purchase for generation on farm is also an interesting alternative, although its payback time is relatively high for Brazilian standards.

Diese Arbeit ist ein Beitrag zur Entwicklung einer Strategie für die eine CO2 sparende zu- künftige Landwirtschaft, in der nur geringe Emissionen von Treibhausgasen entstehen, die Stromerzeugung vor Ort aus natürlichen Ressourcen erfolgt, eine maximale Ausnutzung der Sonnenenergie genutzt wird, und der Konflikt zwischen der Nutzung der verfügbaren Ressourcen für Nahrungsmittel und Treibstoff Produktion vermieden wird. Alle Versuche in der Arbeit wurden in den Jahren 2005 -2009 auf der Öko-Farm (TOSOLY) der UTA (Fundación para la Producción Agropecuaria Tropical Sostenible Capitulo Kolumbien - UTA) unter der Leitung von Dr. TR Preston (Präsident ) und MSc Lylian Rodríguez (Director) durchgeführt. / This thesis is a contribution to the strategy that should underpin all future farming systems: namely the need to “de-carbonize” the system, by reducing emissions of greenhouse gases, generating electricity locally from natural resources, making maximum use of solar energy and ensuring there is no conflict between use of available resources for both food and fuel production. All the experiments described in the thesis were carried out in the period 2005 -2009 at the ecological farm (TOSOLY) of the UTA Foundation (Fundación para la Producción Agropecuaria Tropical Sostenible Capitulo Colombia – UTA) of which the principals are Dr T R Preston (President) and MSc Lylian Rodríguez (Director).