Williams, Jenkins e Nguyen (2003) apresentam que conversão de material orgânico pode acontecer por três caminhos básicos, todos em uso no tratamento de resíduos sólidos no mundo, termoquímico, bioquímico e físico-químico. Esses três caminhos são detalhados a seguir.
3.1.1 Conversão termoquímica
A conversão termoquímica se caracteriza por altas temperaturas e altas taxas de conversão. É melhor aplicada em resíduos de baixa umidade e com menor seletividade. O processo de conversão termoquímica abrange:
• Oxidação por combustão - para a produção de calor em elevadas temperaturas sem geração de gases, líquidos ou sólidos úteis comercialmente. A temperatura da chama varia de 1500 a 3000º F, dependendo do combustível, da estequiometria (cálculo da quantidade de reagentes e produtos da reação, baseado nas leis das reações químicas), do material, do design do forno e de perdas no sistema de transmissão de calor. A combustão de sólidos envolve processos simultâneos de transporte de calor e massa, pirólise, gaseificação, ignição e queima, com fluxo fluido. Produtos da conversão incluem calor, gases oxidados (CO2, H2O), produtos de combustão incompleta e produtos de
outras reações (alguns poluentes) e cinzas. Outros processos, como a oxidação supercrítica da água e oxidação eletroquímica, podem produzir produtos similares em mais baixas temperaturas;
• Gaseificação - tipicamente refere-se à conversão por via da oxidação parcial, usando ar sub-estequiométrico ou oxigênio ou aquecimento indireto para produzir gases combustíveis (gás de síntese, gás produtor), principalmente CO, H2, metano e
hidrocarbonos leves em associação como CO2 e N2, dependendo do processo utilizado. A
gaseificação também pode produzir líquidos (alcatrão, óleos e outros condensados) e sólidos (carvão e cinzas) do material processado. Processos de gaseificação são projetados para gerar combustível ou gás de síntese como produto primário. Gases combustíveis podem ser usados em motores a combustão, células combustíveis e outros geradores de energia primária. Produtos da gaseificação podem produzir metanos,
líquidos do tipo FT (Fischer-Tropsch) e outros combustíveis líquidos e químicos. Gaseificação de sólidos e combustão do combustível derivado de gases geram a mesma categoria de produtos como os da combustão direta de sólidos, mas o controle de poluição e a eficiência têm que ser melhorados;
• Pirólise - é um processo similar à gaseificação geralmente utilizado para a produção de combustível líquido (óleo de pirólise) que pode ser usado diretamente ou refinado para uso em motores, produtos químicos e adesivos. A pirólise também produz gases e sólidos da matéria-prima. Usualmente processos que degradam termicamente o material sem a adição de ar ou oxigênio são considerados pirólise. Pirólise e seus gases derivados, bem como o combustível líquido, também podem produzir a mesma categoria de produtos finais da combustão direta de sólidos, mas tal como na gaseificação, o controle de poluição deve ser eficiente. A pirólise direta de líquidos pode ser tóxica, corrosiva, oxidativamente instável e de difícil manuseio. A geração de líquidos combustíveis traz vantagens de manuseio e distribuição ou mobilidade para a geração de energia;
• Aquecimento por Arco de Plasma ou Rádio Freqüência (microondas) - refere-se a dispositivos específicos que provêem calor por gaseificação, pirólise ou combustão, dependendo do montante de oxigênio alimentado no reator. O craqueamento catalítico emprega a catálise na reação para acelerar a quebra de moléculas pesadas em produtos menores, para melhorar a seletividade e transmitir certas características ao produto final, como volatilidade e conversibilidade aos combustíveis líquidos.
3.1.2 Conversão bioquímica
Ocorre em baixas temperaturas e em baixas taxas de reação, mas tendem a oferecer maior seletividade aos produtos do que a conversão termoquímica. Materiais de alta umidade são geralmente bons candidatos para processos bioquímicos. Os processos de conversão bioquímica abrangem:
• Digestão anaeróbia - técnica de fermentação tipicamente empregada em qualquer estação de tratamento de água para a degradação do lodo e estabilização, mas também é o principal processo que ocorre nos aterros. Opera sem oxigênio livre e resulta em gás combustível chamado biogás, contendo CO2 e metano, mas porta impurezas como
umidade, H2S e matéria particulada. Facultativamente pode requerer a adição de uma
bactéria metanogênica que auxilia na degradação dos substratos do lixo. A relação carbono/nitrogênio é especialmente importante. O biogás pode ser usado como combustível em motores, células combustíveis, turbina a gás, boilers, aquecedores industriais e outros processos de manufatura química;
• Conversão aeróbia – inclui, por exemplo, a compostagem e tratamento de resíduos do lodo do processo de tratamento de água. Usa ar ou oxigênio para suportar o metabolismo de microorganismos que degradam o substrato. Considerações nutricionais são importantes para o correto funcionamento do processo aeróbio. O processo opera com taxas maiores que o processo anaeróbio, mas não produz gases combustíveis.
A fermentação é geralmente usada industrialmente para produzir combustíveis líquidos como o etanol e outros produtos químicos, que também operam sem oxigênio. Embora a fermentação e a digestão anaeróbia sejam comumente classificadas separadamente, ambas são processos de fermentação desenhados para produzir produtos diferentes. A matéria celulósica, incluindo a maioria da fração orgânica do RSU, precisa de um pré-tratamento (ácido, enzimas ou hidrólise hidrotérmica) para quebrar e depolimerizar a celulose e permitir a ação da levedura de bactérias empregada no processo. A lignina presente na biomassa é refratária à fermentação e seu produto é tipicamente usado como combustível de boilers ou como matéria para conversão termoquímica ou combustível para outros produtos.
3.1.3 Conversão físico-química
Envolve a síntese física e química de produtos como a transformação de óleos vegetais virgens ou usados, gordura animal, graxas e outras matérias adequadas como o combustível líquido ou biodiesel, freqüentemente por transesterificação (reação de glicerídios como álcool na presença de um catalisador).
3.1.4 Tecnologias
A partir dos três caminhos anteriormente apresentados, as tecnologias para tratamento de resíduos podem ser classificadas em cinco grandes grupos: a) processos térmicos (derivados do antigo processo de incineração); b) digestão aeróbica ou anaeróbica (que acaba por ocorrer
nos aterros); c) hidrólise; d) processamento químico; e, e) recuperação mecânica de fibras. Esses processos são apresentados a seguir.
• Processos térmicos - são tecnologias usadas para produzir uma quantidade significativa de calor durante o curso do processamento do RSU. Descritores comuns da tecnologia térmica incluem gaseificação, pirólise, craqueamento e plasma. Essas tecnologias são similares na medida em que reações endotérmicas e exotérmicas ocorrem no processo, mudando a composição do RSU. Produtos resultantes incluem gás de síntese (composto de hidrogênio gasoso, monóxido e dióxido de carbono), que é queimado para gerar energia elétrica, resíduos sólidos (geralmente vitrificados) e líquidos orgânicos (como o metanol), dependendo do processo utilizado;
• Digestão (aeróbia ou anaeróbia) - é a redução da fração orgânica do RSU por meio da decomposição por micróbios, acompanhada por produção de líquidos e gases. O processo pode ser aeróbio ou anaeróbio, dependendo de como o ar é introduzido, mecanicamente ou não. Digestão anaeróbia produz biogás, que pode ser usada para gerar eletricidade. A digestão aeróbia produz um composto que pode ser utilizado como fertilizante, mas não produz biogás;
• Hidrólise - é uma reação química na qual a água reage com outra substância para formar uma ou mais outras substâncias. No tratamento de RSU usa-se uma reação de ácido catalisado na fração de celulose do lixo, presente no papel, alimento, e restos vegetais, com água para produzir açúcares, que depois são convertidos em etanol e outros produtos;
• Processamento químico - é o termo geral para tecnologias que usam uma combinação de vários processos. Uma delas é a depolimerização que produz uma quebra permanente das moléculas grandes, convertendo-as em pequenas e mais simples. Geram-se produtos diversos como vapor, eletricidade, óleos e especialmente carbonos sólidos.
• Processamento mecânico - é a tecnologia utilizada para recuperar de fibras. No processamento do RSU a retirada de fibras para uso secundário, acontece, por exemplo, na indústria do papel.