Digestão Anaeróbia

A ACV foi aplicada em dois momentos, conforme apontado no item 3.2. Primeiramente, a mesma é aplicada para seleção da tecnologia de DA passível de ser aplicada no contexto da UNICAMP e posteriormente, para avaliação das

alternativas 4 e 5. A tecnologia de DA, apesar de ser muito antiga e difundida no mundo, ainda está começando a se desenvolver no Brasil. Como este é um processo decisório e devido a esta extensa gama de tecnologias, se fez necessário selecionar algumas delas de modo que fossem aplicáveis no contexto desejado (tecnologia descentralizada) e posteriormente para indicação de apenas uma para compor as alternativas 4 e 5 deste trabalho.

A opção por tecnologias descentralizadas se justifica principalmente na redução de custos para instalação e operação de plantas de biogás, já que assim, estas ficam restritas a plantas menores que requerem pouco espaço, menor tempo de instalação e menor número de funcionários para operá-las. Além disso, elas contribuem para diminuição de custos de transporte, pois a geração de RSO fica próxima à unidade de produção de biogás. Há também a redução de custos relacionados à energia produzida, pois parte-se do princípio que esta pode ser utilizada pelos próprios restaurantes, como a combustão para preparo de alimentos (utilização em fogões, panelões industriais e fornos combinados) e geração de energia elétrica. Existem diversas tecnologias mundialmente difundidas de tratamento de RSO via DA.

Neste estudo foram selecionadas duas tecnologias aplicadas no tratamento de RSO proveniente de restaurantes universitários, aqui denominada Tecnologia A e Tecnologia B. Elas se diferem quanto à temperatura de operação (mesofílica ou termofílica), teor de umidade do substrato (via seca ou úmida) e tipo de diluição (água e água+lodo de ETE). A seleção excluiu tecnologias desenvolvidas no exterior, dentre os motivos se destacam a necessidade de royalties e importação de equipamentos que poderiam ocasionar em um valor final muito maior do sistema e também a questão climática; é na Europa onde a DA é mais desenvolvida e desta forma, muitas adaptações foram criadas para transpor as questões ligadas ao aquecimento do biodigestor (clima mais frio). Sendo assim, a escolha se pautou em tecnologias em desenvolvimento dentro do contexto brasileiro, mais especificamente as que têm sido estudadas na UFMG e UNICAMP, e que permitiram um acesso direto aos desenvolvedores das técnicas de tratamento.

4.3.3.1. Tecnologia A

A Tecnologia A se baseia na Plataforma de Metanização de Resíduos Orgânicos (pMethar). Uma visita técnica foi feita em abril de 2015 a este projeto piloto implantado no campus Pampulha da UFMG que visa o tratamento do RSO proveniente das etapas de processamento, preparo e consumo de alimentos do Restaurante Setorial II do campus em parceria com a empresa Methanum®. O contato com pesquisadores permitiu conhecer os detalhes do funcionamento da planta piloto e os principais resultados podem ser vistos no trabalho de Ferreira (2015). Existem projetos de mestrado e doutorado em andamento focado em etapas específicas do processo. Este é um projeto integrante do Centro Integrado de Pesquisa e Desenvolvimento de Tecnologias de Baixa Emissão de Carbono (CIBEC) da UFMG, que objetiva gerar inovações tecnológicas na área de energias renováveis, eficiência energética e baixa emissão de carbono (UFMG, 2013).

A pMethar é composta por uma unidade de pré-tratamento do substrato, um tanque de alimentação de substrato, um reator de metanização, um tanque de extração do material digerido, um sistema de desaguamento do lodo digerido, um sistema de condicionamento de biogás, um acumulador de biogás, um sistema de cogeração de eletricidade e calor a partir do biogás e um sistema de secagem térmica de lodo, conforme pode ser visto na Figura 4.8.

Figura 4.8 - Fluxograma da pMethar no campus Pampulha da UFMG. Fonte: Ferreira (2015)

O reator anaeróbio utilizado é do tipo agitado de mistura completa (CSTR, em inglês), com volume útil de 18,8 m³ feito em plástico reforçado com fibra de vidro revestido externamente com lã de vidro, opera em sistema monofásico e temperatura mesofílica. A carga orgânica volumétrica (COV) aplicada variou entre 1,0 e 2,0 kgSV.m-³.d-1 e o tempo de detenção hidráulico (TDH) ficou próximo de 30 dias (FERREIRA, 2015). A manutenção da temperatura do reator ocorre a partir da circulação de água aquecida por placas solares. A inoculação do reator foi feita a partir de lodo de reator anaeróbio mesofílico do tipo UASB de tratamento de esgoto doméstico (16m³) e rumem bovino (2,5m³) (FERREIRA,2015). As principais características do sistema estão apresentadas na Figura 4.9.

Figura 4.9 - Balanço de massa simplificado do sistema pMethar na UFMG. Fonte: Ferreira (2015)

Após o processo de DA, o material digerido segue para o tanque de extração e após para um reator UASB. A separação das frações sólidas e líquida ocorre num processo de peneiramento. A fração sólida passa por um processo de secagem térmica com a energia térmica proveniente da unidade de cogeração e pode ser utilizada como biofertilizante e a parte líquida segue um sistema de pós- tratamento que ainda não foi plenamente definido, pois ainda está em fase de estudos. O sistema prevê a recirculação de água do sistema, ou seja, parte do material digerido líquido após tratamento retornaria ao reator, reduzindo a demanda de água da rede. No entanto, Ferreira (2015) aponta que é necessário avaliar o efeito do reuso do efluente quanto ao rendimento de gás metano no sistema, além de salientar que o aporte de amônia no sistema pode resultar na inibição da metanogênese.

Já o biogás gerado no reator passa por um selo hídrico (manutenção de pressão interna <0,05 m.c.a.), e segue para o processo de dessulfurização composto por filtros adsorventes de zeólito para remoção do gás sulfídrico (H2S).

Logo depois é armazenado em um reservatório não pressurizado intermediário e dali é comprimido em um reservatório pressurizado para garantir a pressão mínima da unidade de cogeração (MCI - motor FIAT-Siena tetrafuel modificado para operar com o uso do biogás, ainda em fase de testes in loco) (FERREIRA,

2015). Dados gerados no mês de maior potencial de geração elétrica mostram um potencial elétrico disponível de 1189 kW/mês e energia calorífica total de 4757 kW/mês (produção total de 823 m³/mês de biogás, com uma COV = 828 KgSV/mês em um total de 9632 kg/mês de RSO coletado total), indicando ser uma alternativa promissora para geração energética local do campus . Além disso, são produzidos 13 kg de biofertilizante sólido por tonelada de resíduo (FERREIRA, 2014).

Assim, as principais características adotadas para a Tecnologia A são: temperatura de operação mesofílica, substratos RSO + água, ST no biodigestor igual a 5% (via úmida), composição do biogás 60% CH4, 39,87% de CO2, 1300

ppm de H2S; taxa de produção de gás metano igual a 0,452 m³ CH4/kg SV

adicionado, remoção de ST igual a 70% e de SV = 80%..

O dimensionamento de toda a planta de DA é necessário para estimar as emissões para o ambiente e as emissões evitadas, sendo estas exibidas nas Tabelas 4.24 a 4.28 ao final deste item. A Figura 4.10 mostra as fronteiras do sistema, entradas e saídas. O processo se inicia com a coleta de RSO nos três restaurantes universitários; na planta de DA é feita a trituração e homogeneização do substrato (diluição do RSO em efluente tratado) e segue para o biodigestor onde acontece a DA. O biogás bruto é encaminhado para dessulfurização biológica e segue para um MCI para geração de energia elétrica, o efluente da dessulfurização é transportado até a ETE Barão Geraldo. O efluente do biodigestor é separado nas frações sólida e líquida, a primeira consiste no biofertilizante, já a fração líquida passa por um sistema de tratamento de efluente e líquido tratado é recirculado no biodigestor, diminuindo a demanda de água para se inserir no biodigestor.

Figura 4.10 - Fronteiras do sistema para a Tecnologia A

O tratamento do efluente do biodigestor anaeróbio embora seja feito in loco, ficou fora da fronteira do sistema devido às seguintes razões: (1) não foi encontrada bibliografia para tratamento específico de efluente para recirculação no biodigestor anaeróbio com substrato de características semelhantes ao RSO da Unicamp (2) Ferreira (2015) não apresentou a caracterização do efluente; esta informação seria de suma importância para determinação do sistema de tratamento; (3) a caracterização não foi realizada neste trabalho, pois toda etapa experimental da biodigestão deveria ser desenvolvida, o que está fora do escopo. Diante de todos estes fatores, não foi possível optar por uma forma de tratamento para estimar as emissões decorrentes desta etapa. Destaca-se, no entanto, que embora não sejam desprezíveis, estas emissões são pequenas quando comparadas com todo o processo e com as outras formas de tratamento (aterro sanitário e compostagem).

O RSO é coletado no RU e RA, duas vezes ao dia e transportado por veículo comercial leve até a planta de DA, inicialmente admite-se que a planta fica

próxima ao RS. O veículo parte do RU e retorna ao ponto de partida após a coleta. O trajeto percorrido totaliza 9,9 km diários e pode ser visto na Figura 4.11.

Figura 4.11 - Coleta de RSO: Trajeto "restaurantes-planta de DA". Fonte: adaptado de Google Earth (2016)

Assim que o RSO chega à planta, passa por uma pesagem e triagem de possíveis materiais inertes como guardanapos e outros que são retirados coleta de resíduo comum dos restaurantes. Admite-se que esta quantia seja bem pequena, menor que 1 kg por dia. O RSO é triturado e em seguida é feita a diluição do substrato. A partir dos valores de ST do substrato (conforme item. 4.1), calcula-se a quantidade de água a ser utilizada para a diluição.

Para que o sistema seja fechado, ou seja, para que não haja necessidade de entrada diária de água da rede e assim se diminua a utilização deste recurso, prevê-se a recirculação do efluente líquido tratado do biodigestor (admite-se a densidade igual a da água). O ST inicial é igual a 44% e o final é de 5%, já o SVT inicial é igual a 92% (FERREIRA, 2015). Sendo a densidade do RSO igual a 765 kg/m³ (NEVES, 2016), a densidade da água igual a 1000 kg/m³ e a quantidade de RSO igual a 1100 kg, a aplicação das Eq. 4.3 e 4.4 resultam em uma massa de 8580 kg (8,58 m³) de efluente tratado (recirculado) a ser inserido no biodigestor. Assim, a quantidade de substrato inserida no reator é igual a 9680 kg e o volume

total corresponde a 10,02 m³ (volume do RSO + volume do efluente recirculado adotado como igual ao da água).

𝑚𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿𝑟𝑒𝑎𝑡𝑜𝑟= 𝑚𝑅𝑆𝑂+ 𝑚𝑒𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 … . . (4.3)

𝑚𝑆𝑇

𝑚𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿𝑟𝑒𝑎𝑡𝑜𝑟 = 0,05 … . (4.4)

Após a diluição, o substrato é encaminhado por tubulação até um tanque de alimentação semienterrado cilíndrico de concreto. Seu volume é igual a 10m³, correspondendo à quantidade de substrato inserida diariamente. Nota-se que seu tamanho poderia ser reduzido devido ao modo de operação semi contínuo. Se a entrada de substrato for feita duas vezes ao dia, o valor pode ser reduzido pela metade. O volume do biodigestor deve atender a dois parâmetros: a COV e o TDH (WELLINGER; MURPHY; BAXTER, 2013). Para reatores que operam em via úmida, geralmente se utiliza a COV entre 1 e 4 kg SV/m³.dia (FERREIRA, 2015), já para CSTR esse valor está situado entre 2 e 3 kg SV/m³.dia, podendo suportar de 4 a 5 kg SV/dia, mas o sistema pode ficar mais sensível e necessitar maior monitoramento (WELLINGER; MURPHY; BAXTER, 2013). Deste modo, adota-se o valor de 3 kg SV/m³.dia e calcula-se o volume de acordo com as Eq. 4.5 e 4.6.

𝐶𝑂𝑉 �_{𝑚³. 𝑑𝑖𝑎}𝑘𝑔 𝑆𝑉 � =𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜 � 𝑘𝑔_{𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑜 𝑏𝑖𝑜𝑑𝑖𝑔𝑒𝑠𝑡𝑜𝑟 [𝑚}𝑑𝑖𝑎� 𝑥 𝑆𝑇 [%]𝑥 𝑆𝑉 [% 𝑑𝑒 𝑆𝑇]_3] … . (4.5)

𝑇𝐷𝐻 [𝑑𝑖𝑎𝑠] = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑜 𝑏𝑖𝑜𝑑𝑖𝑔𝑒𝑠𝑡𝑜𝑟[𝑚3]

𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜 [𝑚_{𝑑𝑖𝑎]}3 … . (4.6)

De acordo com Ferreira (2015), o TDH do sistema é igual a 30 dias, assim, o volume do biodigestor de acordo com a Eq. 4.5 é igual a 148,4 m³ e para a Eq. 4.6 resulta em 300 m³. Atendendo então às duas equações, o volume do biodigestor adotado é igual a 300 m³. Embora o mesmo seja de inox na pMethar, admite-se a construção do biodigestor em concreto com o principal intuito de minimizar perdas de calor no aquecimento. O aquecimento do biodigestor é feito

por um sistema de coletores solares, seu dimensionamento não influencia nos cálculos da ACV para a escolha da tecnologia de DA.

Após a DA, o efluente do biodigestor da pMethar passa por um reator UASB e um sistema de separação sólido-líquido (peneiras). A fase posterior, que se constitui num sistema de pós-tratamento da fase líquida ainda está em fase de estudos. Desta forma, para a Tecnologia A, o efluente do biodigestor é retirado por bombeamento até o tanque de extração (mesmas características do tanque de alimentação) e então segue para um decantador centrífugo para separação das frações sólida e líquida, de modo a permitir um melhor rendimento do processo e menor necessidade de mão-de-obra para operação, cujas porcentagens de ST e NPK pra cada fração pode ser vista na Tabela 4.18.

Tabela 4.18 - Eficiência de separação de um decantador centrifugo Fração sólida Fração líquida

ST 65% 35%

Nitrogênio (N) 30% 70%

Fósforo (P) 70% 30%

Potássio (K) 20% 80%

Fonte: Lukehurst, Frost e Al Seadi (2010)

A fração sólida corresponde ao biofertilizante e não precisa de etapa adicional, já que o mesmo está praticamente estabilizado. Como não há uma eficiência com relação à umidade que vai para cada fração após a passagem pelo decantador centrífugo, adotou-se um valor igual a 50%, desta forma, são produzidos 188,8 kg por dia. Nota-se que pela legislação brasileira que a umidade máxima do composto final deve ser de 50% (MAPA, 2005).

Já a fração líquida corresponde à diferença entre o total de material biodigerido que sai do biodigestor menos a fração sólida, ou seja, 9491,2 kg de efluente líquido. Sabendo-se que 145,2 kg de ST saem do biodigestor e considerando as quantidades de NPK para o material biodigerido proveniente de biodigestão anaeróbia de RSO encontradas no relatório da WRAP (WRAP, 2011) iguais a N=15% ST, P=0,7% ST e K=4,7%ST, podem-se calcular as quantidades destas substâncias em cada fração (Tabela 4.19).

Tabela 4.19 - Parâmetros das frações sólida e líquida - Tecnologia A Material

biodigerido

Fração sólida Fração líquida N 21,780 kg 6,534 kg (6,92% ST) 15,246 kg (30% ST) P 1,016 kg 0,711 kg (0,75% ST) 0,305 kg (0,60% ST) K 6,844 kg 1,365 kg (1,45% ST) 5,460 kg (10,74% ST) TOTAL Biofertilizante sólido 188,8 kg/dia ST = 50% Efluente líquido (recirculação no biodigestor) 9491,2 kg/dia (≈9,48 m³/dia) ST = 0,54%

Comparando estes valores com um fertilizante mineral de propósito geral com valores de NPK iguais a 5,5%, 3,3% e 1,47% respectivamente (LUKEHURST; FROST; AL SEADI, 2010), percebe-se que a fração sólida pode ser utilizada como biofertilizante, necessitando apenas de uma correção posterior de fósforo. Esta compensação depende do tipo de solo e de cultura que se pretende utilizar, portanto, está fora do escopo desta pesquisa e não é incluído nos cálculos de ACV. Quanto à fração líquida, é necessário um tratamento adicional, já que é feita a recirculação da mesma no biodigestor. O tratamento do efluente deve ser feito para que não haja acúmulo de RSO produzido pelos microrganismos, componentes recalcitrantes e componentes intermediários de degradação, como a amônia (CHEN et al, 2016; NIE et al, 2014; SIBIYA, TESFAGIORGIS; MUSENDA, 2015) que podem culminar na “quebra” do biodigestor, ou seja, na inibição da metanogênese (FERREIRA, 2015). Assim, para uma geração de 9,49 m³ de efluente/dia, 8,58 m³/dia de efluente tratado são necessários para recirculação, deste modo, 0,91 m³ remanescente pode ser reutilizado como água de reuso.

Já quanto aos gases produzidos no processo, de acordo com dados de Ferreira (2015), a Tecnologia A permite um rendimento de gás metano igual 0,452 m³ de CH4/ kg SV add. Para o caso da UNICAMP em que 1100 kg de RSO

(ST=44% e SV=92% SV) possuem 445,28 kg SV add/dia, então é prevista uma geração de 335,466 m³ de biogásdiariamente (201,27 m³ de CH4, 133,76 m³ de

CO2, 0,436 m³ de H2S). Devido à presença de H2S no biogás, é necessário fazer

tubulações e comprometer o funcionamento de motores para geração de energia elétrica ou em queimadores, caso a opção seja para o fornecimento de energia térmica. Opta-se pela dessulfurização biológica aeróbia apresentada por Pires et al (2015), um processo nos quais microrganismos faz a oxidação do enxofre presente no biogás, desta forma oxigênio é adicionado a um reator juntamente com um meio líquido, no caso desta pesquisa, parte do próprio efluente do biodigestor e após o processo, o biogás é acrescido do volume do nitrogênio presente no ar injetado e elimina-se o H2S. Este sistema consiste em um tanque

de fibra de vidro com um sistema de lavagem na parte superior e coleta do efluente na parte inferior (PIRES et al, 2015). O dimensionamento segue o sistema utilizado por Pires et al (2015) sendo a reação dentro do dessulfurizador dada por H2S + 2 O2 = SO4 + 2H (H2S =34 g ou 22,4 litros, 2 O2 =64g ou 44,8

litros, SO4 = 96g, 2H=2g). Os principais parâmetros calculados para a Tecnologia

“A” estão na Tabela 4.20 e a Figura 4.12 resume o processo de dessulfurização. Tabela 4.20 - Parâmetros da dessulfurização biológica - Tecnologia A

Vazão de biogás de entrada no dessulfurizador 335,5 m³/dia = 14 Nm³/h Remoção de H2S 0,0276kg/h Biogás de entrada CH4=8,40 m³/h, (60%) CO2 = 5,58 m³/h (39,87%) H2S = 0,02 m³/h (1300 ppm) Biogás de saída CH4=8,33 m³/h (59,47%) CO2 =5,53 m³/h (39,52%) H2S = 0 m³/h N2 = 0,14 m³/h (1,01%) O2 = 0 m³/h (0,01 %) Vazão de ar de entrada no dessulfurizador 0,18 Nm³/h (vazão de ar = 1,29%) Consumo de efluente tratado* 0,001 m³/h = 0,024 m³/dia Ar de entrada N2 = 79% = 0,14 m³/h O2 = 21%=0,04 m³/h Consumo de energia elétrica* 2,5% da energia elétrica gerada