Produção de Biogás e a relação com o substrato

Na prática, nem todo resíduo orgânico é biodegradável. Além da concentração dos compostos biodegradáveis no resíduo, a sua biodegradabilidade determina a quantidade de gás gerado. Usualmente, aceita-se que os restos alimentícios, papel e papelão são completamente biodegradáveis, enquanto os têxteis e mistura de resíduos não combustíveis são 50% biodegradáveis, à medida que os resíduos com misturas combustíveis são 60% biodegradáveis (BURNLEY, 2001).

A fórmula molecular da matéria orgânica presente no resíduo depende da quantidade de lipídios, carboidratos, proteínas e outros compostos (Tabela 3-4). De acordo com a estequiometria, a mais alta produção de biogás é obtida através da digestão de gorduras (PAWLOWSKA, 2014). Segundo Jorgensen (2009), teoricamente, em condições normais (0ºC e 1 atm.), existe cerca de 1444 m³ de

biogás, com fração de metano de 70,2%, a partir de 1 Mg de lipídeos; já para 1Mg de celulose, podem ser obtidos 830 m³ de biogás com 50% de CH4; para as proteínas, com 1 Mg pode-se alcançar uma produção de 793 m³ de biogás, sendo 63,6% de metano.

Tabela 3-4 Taxa de produção de metano por composto bioquímico Frações

Biodegradáveis

Taxa de Produção de CH4 (m³/ kg seco da fração) Wang et. al (1997) Shekdar (1997) Ehrig (1991)

Carboidratos 0,415 0,424 0,373 0,453

Proteínas 0,517 0,517 0,509

Lipídios - - 1,021

Fonte: Adaptado de Maciel (2009)

A concentração individual dos compostos químicos, na composição da fração orgânica do RSU, depende da composição morfológica do resíduo (PAWLOWSKA, 2014). Uma maior fração de resíduos de podas e alimentícios é associada uma maior concentração de celulose (C) e hemicelulose (H). A fração da celulose somada a hemicelulose é responsável por 91% do potencial metanogênico do RSU (BARLAZ et al., 1989a). A celulose e a hemicelulose são os principais componentes biodegradáveis presentes no RSU, enquanto a lignina (L), outro componente orgânico importante, é, na melhor das situações, apenas lentamente biodegradável sob condições metanogênicas. Celulose e hemicelulose estão presentes no papel e em produtos derivados da madeira (BARLAZ, 2006). Na Tabela 3-5 está a concentração de celulose, lignina e hemicelulose em resíduo domiciliar fresco.

O’Leary e Walsh (1991) confirmam que o biogás gerado através da decomposição da celulose, tem concentração de 51% de CH4 e 49% de CO2. O dióxido de carbono por ser bem mais solúvel em água que o metano deve ser transferido para o lixiviado, aumentando assim a relação de metano no biogás (MICALES e SKONG, 1997).

Tabela 3-5 Composição orgânica de resíduos residenciais (% de massa seca) Referência Eleazer et al. (1997) Rhew e Barlaz (1995) Barlaz et al. (1989) Ress et al. (1998) Price et al. (2003) Celulose 28,8 38,5 28,8 48,2 43,9 Hemicelulose 9 8,7 11,9 48,2 10,0 Lignina 23,1 28,0 15,2 14,5 25,1 Holocelulose/Lignina 1,64 1,68 4,15 4,06 5,38 Sólidos Voláteis 75,2 - 78,6 71,4 -

Barlaz (2006) apresenta ainda as diferenças de concentração desses compostos orgânicos devido a origem do resíduo. Enquanto papéis de escritório tiveram concentração de lignina de 0,93 a 2,3 %, os papéis de jornais tiveram uma concentração bastante elevada, em torno de 21,1 a 23,9 %, um dos fatores que contribuem com essa diferença é o tipo de tinta utilizado para impressão de jornais.

Segundo Maciel (2009), a forma mais simples de avaliar a biodegradação dos resíduos é analisar as reações químicas envolvidas considerando a quantidade e qualidade do lixiviado e, principalmente, dos gases produzidos. Porém, é fundamental a consideração o substrato e os agentes biológicos responsáveis pela decomposição, e não apenas o produto final. Os parâmetros biológicos e químicos, que podem ajudar a avaliar a biodegradabilidade e com isso a produção de biogás, podem ser vistos na Tabela 3-6.

Tabela 3-6 Parâmetros utilizados para avaliar a biodegradação dos RSU

Natureza Parâmetros para avaliação da biodegradabilidade dos RSU

Físico-química

Sólidos voláteis (SV), sólidos totais (ST), teor de celulose, teor de hemicelulose, teor de lignina, índice de proteína, índice de lipídios, relação celulose/lignina (C/L), Carbono Orgânico Total (COT), Carbono Total (CT), Carbono Orgânico Dissolvido (COD), temperatura da massa, pH, matéria orgânica solúvel, Demanda Química de Oxigênio (DQO), Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO), Teor de Nitrogênio Kjehldal (TKN), ácidos graxos voláteis, entre outros.

Biológica

Potencial Bioquímico de Metano (BMP, GB21 e GS21), AT-4 (atividade de respiração aeróbia), Índice Respiração Dinâmica (DRI), contagem e genética de microrganismos, entre outros. O percentual de celulose e a relação celulose / lignina vêm sendo utilizados como parâmetro para avaliar a biodegradação do RSU, entretanto é difícil estabelecer correlações lineares entre estes parâmetros e a biodegradação dos resíduos, pois outros componentes dos resíduos também podem influenciar o processo (lipídios, proteínas, pectina e amido (MACIEL, 2009).

A quantidade de sólidos voláteis é um bom parâmetro para indicar a degradação biológica dos materiais aterrados ao longo do tempo, porém, isoladamente não é um bom indicador para o potencial de geração de gás remanente, porque nem todas as frações voláteis são convertidas em gás, como no caso do plástico e borracha (MACHADO et al., 2009). Rohrs et al., (2003) sugerem que a estimativa de compostos orgânicos voláteis pode ser obtida pela medida de celulose

de amostras ou corrigindo os sólidos voláteis (SV) pela porção de matéria não biodegradável ou recalcitrante.

Devido aos vários componentes passíveis de degradação, Lefebvre et al., (2003) relatam que a biodegradação metanogênica não pode ser apenas estimada pela quantidade de celulose da amostra e Rhors et. al. (2003) afirmam que o indicador (SV - L)/L é o mais preciso para avaliar a biodegradabilidade dos resíduos. Em relação a vazão de gases produzidos por aterros sanitários, estudos realizados no aterro sanitário Delta A (Campinas-SP) relatam que a vazão total de biogás calculada foi de 1874,06 Nm³/h, sendo a de metano equivalente a 1057,30 Nm³/h, com potencial de 157 Nm³CH4/Mg de resíduo aterrado, já o aterro Bandeirantes, os valores calculados atingem a ordem de 125 Nm³CH4/Mg de resíduo aterrados (ENSINAS, 2003).

O potencial de biogás/metano para o resíduo, após pré-tratamento mecanizado, em uma batelada, foi de 330-400 Nm³/Mg de SV (BRAUN et al., 2003). Já para uma fração de resíduo domiciliar orgânico (restos de alimentos, resíduos de vegetais e frutas), que são muito susceptíveis a biodegradação, alcançou a potencial de 808-813 Nm³/Mg SV (SCHIEVANO et al., 2009). Enquanto isso Barlaz et al. (1997) encontrou um potencial muito baixo de 62 a 288 Nm³/Mg ST, assumindo 50% de CH4 no biogás, utilizando como substrato resíduos de podas.