UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
Programa de Pós-Graduação emSustentabilidade Socioeconômica e Ambiental Mestrado em Sustentabilidade Socioeconômica e Ambiental
DISSERTAÇÃO
Biometanização Seca de Resíduos Sólidos Urbanos
O Estado da Arte e uma Análise Crítica das Principais Tecnologias
Autor: Felipe Correia de Souza Pereira Gomes
ii
UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
Programa de Pós-Graduação eSustentabilidade Socioeconômica e Ambiental Mestrado em Sustentabilidade Socioeconômica e Ambiental
Felipe Correia de Souza Pereira Gomes
“
Biometanização Seca de Resíduos Sólidos Urbanos - O Estado
da Arte e uma Análise Crítica das Principais Tecnologias
”
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Sustentabilidade Socioeconômica e Ambiental, Universidade Federal de Ouro Preto, como parte dos requisitos necessários para a obtenção do título: “Mestre em Sustentabilidade Socioeconômica e Ambiental – Área de Concentração: Ambientometria
Orientador: Prof. Dr. Sérgio Francisco de Aquino
iii Catalogação: [email protected]
1. G633b Gomes, Felipe Correia de Souza Pereira.
Biometanização seca de resíduos sólidos urbanos [manuscrito]: o estado da arte e uma análise crítica das principais tecnologias / Felipe Correia de Souza Pereira Gomes – 2010.
xvi, 193f.: il., color.; grafs.; tabs.
Orientador: Prof. Dr. Sérgio Francisco de Aquino.
Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Programa de Pós-Graduação em Sustentabilidade Socioeconômica e Ambiental.
Área de concentração: Ambientometria.
1. Digestão anaeróbica - Teses. 2. Resíduos sólidos - Teses. 3. Resíduos orgânicos - Teses. 4. Biogás - Teses. 5. Metano - Teses. I. Universidade Federal de Ouro Preto. II. Título.
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v Dedico essa conquista ao meu irmão Samuel,
vi
Agradecimentos
A minha família, e em especial a minha noiva Daniela, os quais sempre me apoiaram e tiveram muita paciência com a minha falta de tempo para eles durante o período em que estive trabalhando na dissertação.
Ao Prof. Dr. Sergio Aquino que sabiamente me orientou neste estudo, me ajudando a enxergar os melhores caminhos para o desenvolvimento do mesmo.
À FEAM, em especial ao presidente e amigo José Cláudio Junqueira, que me propiciou a oportunidade e os recursos necessários para o desenvolvimento deste trabalho.
Ao meu amigo Luis Felipe Colturato que além de ajudar a pensar e executar esta dissertação, foi um grande parceiro durante as visitas técnicas realizadas.
Ao Prof. Dr. Carlos Augustos Lemos Chernicharo pelos sábios questionamentos apresentados durante a minha defesa.
Aos operadores das plantas de biometanização visitadas que nos receberam de braços abertos.
Ao meu amigo, colega de trabalho e de mestrado Bruno de Mattos, com o qual sempre tive ótimas conversas inspiradas e que nos auxiliaram a solucionar grandes problemas.
vii
SUMÁRIO
Ficha de aprovação ... iv
Agradecimentos ... vi
SUMÁRIO ... 7
LISTA DE TABELAS ... 9
LISTA DE FIGURAS ... 10
LISTA DE ABREVIAÇÕES, SIGLAS, E SÍMBOLOS ... 13
RESUMO ... 15
ABSTRACT ... 16
1. Introdução ... 1
2. Objetivos ... 9
3. Contextualização ... 10
3.1 Apresentação do Problema ... 10
3.1.1 Sistemas de Disposição Final ... 11
3.1.2 Sistemas de Tratamento ... 12
3.2 O Processo de Digestão Anaeróbia ... 15
3.3 O Biogás ... 18
3.4 Breve histórico da biometanização e utilização do biogás ... 19
3.5 A Biometanização de RSU no Brasil ... 23
3.6 Potencial Energético Brasileiro a partir da implantação de unidades de Biometanização de RSU. 28 3.7 Configurações das Tecnologias para Biometanização de FORM ... 29
3.7.1 Sistemas Batelada vs. Sistema Contínuo ... 32
3.7.2 Biodigestores Via Seca vs. Via Úmida ... 33
3.7.3 Biodigestores de Mistura Completa vs. Fluxo Pistão ... 34
3.7.4 Faixa Mesofílica vs. Faixa Termofílica ... 35
3.7.5 Sistemas de Único Estágio vs. Multiestágio ... 36
3.8 Evolução da Biometanização de RSU ... 37
3.9 Tecnologias de Biometanização Seca de RSU ... 43
3.9.1 O Processo Dranco ... 44
3.9.2 O Processo Kompogas ... 46
3.9.3 O Processo Valorga... 49
3.9.4 O Processo Laran(Ex - Linde-BRV) ... 52
4. Materiais e métodos ... 56
4.1 Levantamento do Estado da Arte da Biometanização de RSU ... 56
4.2 Visitas Técnicas a Plantas Comerciais de Biometanização de RSU ... 56
4.3 Complementação das informações obtidas com a aplicação dos questionários ... 58
4.4 Consolidação das informações ... 58
4.5 Análise crítica das tecnologias... 58
4.5.1 Histórico das Tecnologias ... 62
4.5.2 Aspectos Operacionais ... 64
4.5.3 Dados de Projeto ... 66
4.5.4 Dados Reais ... 68
5. Visitas Técnicas às Plantas de Biometanização ... 71
5.1 Ecoparque de La Rioja ... 72
5.2 Ecoparc 2 ... 76
5.3 Centro de Tratamiento de Residuos de Valladolid ... 81
5.4 Biocompost - Planta de Tratamento de RSU de Vitória-Gasteiz para el Território Historico de Álava 84 6. Análise Crítica das Tecnologias de Biometanização ... 88
6.1 Histórico das Tecnologias ... 88
6.2 Aspectos Operacionais ... 91
6.3 Dados de Projeto ... 93
6.4 Dados Reais ... 96
6.5 Discussão dos Resultados ... 100
7. Conclusões ... 103
8. Recomendações para estudos posteriores ... 106
9. Referências Bibliográficas ... 107
viii Anexo 10.1 - Questionário Padrão Utilizado para Coleta de Dados Durante as Visitas Técnicas as Plantas
de Biometanização de RSU ... 118
Anexo 10.2 – Biometanização na Espanha ... 121
Anexo 10.3 - Comunicação realizada com os contatos nas plantas de biometanização visitadas ... 124
Anexo 10.4 – Consolidação dos dados obtidos nas visitas técnicas ... 142
Anexo 10.5 - Relatório Fotográfico ... 147
Relatório fotográfico da visita técnica ao Ecoparque de La Rioja (Kompogas) ... 148
Relatório fotográfico da visita técnica ao Ecoparc2 (Valorga) ... 155
Relatório fotográfico da visita técnica ao CTR Valladolid (Laran) ... 172
ix
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 - Situação da disposição final de RSU nos 853 municípios de Minas Gerais ... 14
Tabela 3.2 - Situação da disposição final de RSU por população urbana atendida ... 15
Tabela 3.3 – Composição esperada do biogás em função do substrato digerido ... 19
Tabela 3.4 – Composição média do biogás gerado na digestão de diversos tipos de resíduos orgânicos ... 19
Tabela 3.5 – Empreendimentos produtores de energia elétrica a partir do biogás, registrados na ANEEL ... 26
Tabela 3.6 – Estimativas de parâmetros operacionais de plantas TMB... 32
Tabela 3.7 – Comparativo da evolução de diferentes aspectos das tecnologias de biometanização de resíduos... 43
Tabela 3.8 - Percentual máximo de disposição em aterros sanitários de matéria orgânica não estabilizada, de acordo com a Diretiva Europeia 1999/31 ... 43
Tabela 3.9 – Produção e consumo energético de plantas de biometanização com tecnologia Dranco 45 Tabela 3.10 – Custos de construção e de operação, requerimento de área e geração e consumo de energia elétrica e calor de plantas em diferentes escalas com tecnologia Dranco ... 45
Tabela 3.11 – Plantas-piloto e de demonstração construídas com tecnologia Dranco ... 46
Tabela 3.12 – Dados de consumo e geração de energia em plantas com tecnologia Kompogas ... 47
Tabela 3.13 – Plantas-piloto e de demonstração construídas com tecnologia Kompogas ... 47
Tabela 3.14 - Resumo dos dados apresentados na proposta Kuttner para fornecimento de uma Planta TMB para o processamento de 199.700t/ano de RSU. ... 49
Tabela 3.15 – Plantas-piloto e de laboratório construídas com tecnologia Valorga ... 50
Tabela 3.16 - Balanço Energético de plantas de biometanização com tecnologia Valorga ... 51
Tabela 3.17 – Produção de biogás e energia em plantas com tecnologia Laran ... 53
Tabela 3.18 – Plantas-piloto e de demonstração construídas com tecnologia Laran ... 54
Tabela 4.1 – Critérios utilizados na definição dos pesos de cada um dos grupos de indicadores ... 62
Tabela 5.1 – Tabela resumo dos dados levantados para cada uma das plantas visitadas ... 72
Tabela 5.2 – Dados de entrada e saída do Ecoparque de La Rioja ... 74
Tabela 5.3 – Resumo dos equipamentos e estruturas do Ecoparque de La Rioja ... 74
Tabela 5.4 - Dados de entrada e saída do Ecoparc 2 ... 79
Tabela 5.5 - Dados de entrada de resíduos e produção de energia elétrica do CTR Valladolid ... 83
Tabela 5.6 – Dados de entrada de resíduos e produção de energia e biogás da Biocompost ... 86
Tabela 6.1 – Matriz de resultados do grupo Histórico das Tecnologias ... 89
Tabela 6.2 – Matriz de resultados do grupo Aspectos Operacionais ... 92
Tabela 6.3 – Matriz de resultados do grupo Dados de Projeto ... 94
Tabela 6.4 – Matriz de resultado dos indicadores do grupo Dados Reais ... 97
x
LISTA DE FIGURAS
Figura 3.1– Sequências metabólicas e grupos microbianos envolvidos no processo de digestão
anaeróbia com redução de sulfato. ... 17
Figura 3.2 – Usina de triagem e compostagem localizada na cidade de Uberaba/MG que possuía uma unidade de biometanização de RSU. Na Figura (a) detalhe do fosso de recebimento de resíduos. Na Figura (b) detalhe da área de triagem manual. Na Figura (c) detalhe do interior do digestor com elevado acúmulo de materiais impróprios. ... 24
Figura 3.3 - Layout do Ecopolo Bioenergético do Aterro do Caju. ... 27
Figura 3.4 – Fluxo de materiais e balanço de massa de uma planta padrão de biometanização de RSU. ... 31
Figura 3.5 – Balanço energético típico de plantas de biometanização de RSU. ... 31
Figura 3.6 – Modelo esquemático de um digestor de mistura completa. ... 35
Figura 3.7 - Modelo esquemático de um digestor de fluxo pistão. ... 35
Figura 3.8 – Capacidade Instalada de Biometanização de RSU na Europa. ... 38
Figura 3.9 – Evolução das tecnologias de biometanização via seca de RSU (Tecnologias Kompogas, Linde BRV, Dranco e Valorga). ... 39
Figura 3.10 - Evolução das tecnologias de biometanização via úmida de RSU (Tecnologias Linde KCA, BTA, AMB, Biostab, Citec, Wassa, Wabio e Ecoenergy). ... 40
Figura 3.11 – Evolução da capacidade instalada das plantas de biometanização de resíduos orgânicos na Europa. ... 41
Figura 3.12 – Evolução das plantas europeias de biometanização de resíduos que operam na faixa mesofílica (35° a 40°C) e na faixa termofílica (50° a 55°C). ... 42
Figura 3.13 – Modelos esquemáticos de um digestor com a tecnologia Dranco. ... 44
Figura 3.14 – Na figura (a) é apresentado um modelo esquemático de um digestor com tecnologia Kompogas e na figura (b) um detalhe do sistema de agitação de um dos digestores construídos no Ecoparque de La Rioja. ... 48
Figura 3.15 - Modelo esquemático de um digestor com tecnologia Valorga. ... 51
Figura 3.16 – Digestor da planta de La Coruña, Espanha o qual, devido a problemas operacionais, explodiu. ... 52
Figura 3.17 - Modelo esquemático de um digestor com tecnologia Laran. ... 54
Figura 3.18 – Detalhes de digestores com tecnologia Laran. Na Figura (a) detalhe para os agitadores mecânicos do digestor da cidade de Baar, Suíça. Na Figura (b) detalhe para o sistema de aquecimento de um digestor, via serpentinas instaladas nas paredes. ... 55
Figura 5.1 – Imagem de satélite do Ecoparque de La Rioja. ... 75
Figura 5.2 – Layout do Ecoparque de La Rioja. ... 75
Figura 5.3 – Detalhe da “praça de guerra” formada devido à necessidade recorrente de desobstrução do sistema de extração. ... 76
Figura 5.4 – Imagem de satélite do Ecoparc 2. ... 79
Figura 5.5 – Layout do Ecoparc 2. ... 80
Figura 5.6 – Detalhe da operação de remoção dos inertes sedimentados no interior de um dos digestores do Ecoparc 2. (a) Detalhe do guindaste utilizado para remoção do material. (b) Detalhe do orifício aberto no topo do digestor para a entrada dos equipamentos e remoção do material sedimentado. (c) Detalhe do interior do digestor durante o procedimento de limpeza. (d) Detalhe das caçambas onde eram lançados os materiais extraídos do interior do digestor. ... 81
Figura 5.7 – Imagem de satélite do CTR Valladolid. ... 83
Figura 5.8 – Fluxograma da Planta TMB de Vitória-Gasteiz. ... 87
Figura 5.9 - Imagem de satélite do CTR Valladolid. ... 87
Figura 6.1 - Desempenho das tecnologias em cada um dos grupos de indicadores – Soma simples. ... 101
Figura 6.2 - Desempenho das tecnologias em cada um dos grupos de indicadores – Soma ponderada. ... 102
Figura 10.1 – Setor de pesagem dos caminhões. ... 148
Figura 10.2 – Entrada do Ecoparque de La Rioja. ... 148
Figura 10.3 – Sistema de recepção de resíduos – destaque para a grua que move os resíduos do fosso para a correia transportadora. ... 149
Figura 10.4 – Sistema de recepção de resíduos – destaque para a correia transportadora inicial. .. 149
Figura 10.5 – Sistema de pré-tratamento – destaque para o trommel. ... 150
Figura 10.6 – Sistema de pré-tratamento – destaque as correias transportadoras. ... 150
xi
Figura 10.8 – Digestores... 151
Figura 10.9 – Digestores – destaque para a tubulação de alimentação. ... 152
Figura 10.10 – Digestores... 152
Figura 10.11 – Digestores – destaque para o sistema de alimentação. ... 153
Figura 10.12 – Digestores – destaque para a área denominada “praça de guerra”, onde ocorre o acúmulo de lodo devido ao entupimento das tubulações de extração. ... 153
Figura 10.13 – Sistema de tratamento do ar ambiente – destaque para o biofiltro. ... 154
Figura 10.14 – Setor de pesagem dos caminhões. ... 155
Figura 10.15 – Sistema de recepção de resíduos – destaque o caminhão basculando os resíduos no fosso de recebimento. ... 155
Figura 10.16 – Sistema de recepção de resíduos – destaque para fosso de recebimento de resíduos. ... 156
Figura 10.17 – Sistema de recepção de resíduos – destaque para a grua que move os resíduos do fosso para a correia transportadora. ... 156
Figura 10.18 – Sistema de recepção de resíduos – destaque para a pá carragadeira limpando a área onde os caminhões basculam os resíduos no fosso. ... 157
Figura 10.19 – Sistema de recepção de resíduos – destaque para a correia transportadora inicial. 157 Figura 10.20 – Sistema de pré-tratamento. ... 158
Figura 10.21 – Sistema de pré-tratamento – destaque para o interior do trommel, onde podem ser vistos os rompedores de sacos. ... 158
Figura 10.22 – Sistema de pré-tratamento – destaque para o interior do trommel, onde podem ser vistos os rompedores de sacos. ... 159
Figura 10.23 – Sistema de pré-tratamento – destaque para os triadores manuais. ... 159
Figura 10.24 – Sistema de pré-tratamento. ... 160
Figura 10.25 – Sistema de pré-tratamento – destaque para a prensa enfardadora de materiais recicláveis. ... 160
Figura 10.26 – Sistema de pré-tratamento – destaque para os resíduos de planta, após serem embalado para envio ao aterro sanitário. ... 161
Figura 10.27 – Sistema de pré-tratamento – destaque para os resíduos de planta embalados, sendo transportados para o aterro sanitário. ... 161
Figura 10.28 – Vista dos Digestores. ... 162
Figura 10.29 – Vista dos Digestores e gasômetro. ... 162
Figura 10.30 – Vista dos Digestores e gasômetro. ... 163
Figura 10.31 – Digestores – destaque para os mangotes de injeção de biogás comprimido para agitação do material em digestão. ... 163
Figura 10.32 – Sistema de captação e condicionamento do biogás – destaque para as tubulações e sopradores. ... 164
Figura 10.33 – Sistema de captação e condicionamento do biogás – destaque para o biofiltro de remoção do gás sulfídrico. ... 164
Figura 10.34 – Sistema de captação e condicionamento do biogás – destaque para as tubulações do biofiltro de remoção do gás sulfídrico. ... 165
Figura 10.35 – Sistema de captação e condicionamento do biogás – destaque para o material de preenchimento do biofiltro de remoção do gás sulfídrico. ... 165
Figura 10.36 – Sistema de captação e condicionamento do biogás – destaque para o gasômetro. . 166
Figura 10.37 – Motor de cogeração para produção de biogás e energia. ... 166
Figura 10.38 – Motor de cogeração para produção de biogás e energia. ... 167
Figura 10.39 – Flare para queima do biogás excedente. ... 167
Figura 10.40 – Centrífuga do sistemade desidratação. ... 168
Figura 10.41 – Fase líquida do sistema de desidratação. ... 168
Figura 10.42 – Fase sólida do sistema de desidratação. ... 169
Figura 10.43 – Sistema de pós-tratamento – destaque para a entrada dos túneis de compostagem. 169 Figura 10.44 – Triturador de poda verde. ... 170
Figura 10.45 – Sistema de pós-tratamento – destaque a máquina utilizada para esvaziar e encher os túneis de compostagem... 170
Figura 10.46 – Biofiltros para tratamento do ar ambiente. ... 171
Figura 10.47 – Sistema de tratamento de efluentes líquidos – destaque para as micro-membranas. ... 171
Figura 10.48 – Sistema de recepção de resíduos – destaque para a grua que move os resíduos do fosso para a correia transportadora. ... 172
xii Figura 10.50 – Sistema de pré-tratamento – destaque para as prensas enfardadoras de material
reciclável. ... 173
Figura 10.51 – Sistema de pré-tratamento – destaque para as cabines de triagem e correias transportadoras. ... 173
Figura 10.52 – Sistema de pré-tratamento – destaque para as cabines de triagem e correias transportadoras. ... 174
Figura 10.53 – Sistema de pré-tratamento – destaque para uma cabines de triagem. ... 174
Figura 10.54 – Sistema de pré-tratamento – destaque para os containeres de armazenamento temporário do material reciclável triado. ... 175
Figura 10.55 – Sistema de pré-tratamento – destaque para as cabines de triagem e correias transportadoras. ... 175
Figura 10.56 – Sistema de pré-tratamento – destaque para as correias transportadoras. ... 176
Figura 10.57 – Sistema de pré-tratamento – área de triagem manual. ... 176
Figura 10.58 – Sistema de pré-tratamento – destaque para as prensas enfardadoras de material reciclável. ... 177
Figura 10.59 – Sistema de extração e desidratação – destaque para a prensa. ... 177
Figura 10.60 – Sistema de extração – destaque para o tanque de vácuo. ... 178
Figura 10.61 – Motor do sistema de agitação do material em digestão. ... 178
Figura 10.62 – Rosca sem fim do sistema de introdução. ... 179
Figura 10.63 – Sistema de pós-tratamento – destaque para a entrada dos túneis de compostagem. 179 Figura 10.64 – Sistema de pós-tratamento – destaque a maquina utilizada para encher e esvaziar os túneis de compostagem... 180
Figura 10.65 – Sistema de pós-tratamento – destaque o interior de um túnel de compostagem. ... 180
Figura 10.66 – Sistema de recepção de resíduos – vista da cabine de comanda da grua que move os resíduos do fosso para a correia transportadora. ... 181
Figura 10.67 – Sistema de pré-tratamento – destaque para os trommels. ... 181
Figura 10.68 – Sistema de pré-tratamento. ... 182
Figura 10.69 – Sistema de pré-tratamento – destaque para uma cabine de triagem. ... 182
Figura 10.70 – Sistema de pré-tratamento. ... 183
Figura 10.71 – Sistema de pré-tratamento. ... 183
Figura 10.72 – Sistema de pré-tratamento – destaque para os materiais recicláveis recuperados após serem enfardados. ... 184
Figura 10.73 – Sistema de tratamento do ar ambiente. ... 184
Figura 10.74 – Digestor e container de armazenamento do motor de cogeração. ... 185
Figura 10.75 – Digestor e container de armazenamento do motor de cogeração. ... 185
Figura 10.76 – Flare para queima do biogás excedente. ... 186
Figura 10.77 – Flare - detalhedo sistema de ventilação. ... 186
Figura 10.78 – Container de armazenamento do motor de cogeração. ... 187
Figura 10.79 – Sistema de extração do material digerido. ... 187
Figura 10.80 – Sistema de extração do material digerido. ... 188
Figura 10.81 – Sistema de agitação do material em digestão. ... 188
Figura 10.82 – Tubulação do sistema de extração do material digerido. ... 189
xiii
LISTA DE ABREVIAÇÕES, SIGLAS E SÍMBOLOS
AC Antes de Cristo
AGV Ácidos Graxos Voláteis
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
ARTI Appropriate Rural Technology Institute (Instituto de Tecnologia Rural Adequada)
atm Atmosfera
BARC Bhabha Atomic Research Centre (Centro de Pesquisa Atômica Bhabha)
BH Belo Horizonte
BIG Banco de Informações de Geração
BSP Biogas Support Program (Programa de Suporte ao Biogás)
CEG Companhia Estadual de Gás
CGTEE Companhia de Geração Térmica de Energia Elétrica COMLURB Companhia Municipal de Limpeza Urbana
COPAM Conselho Estadual de Política Ambiental CO2 Dióxido de Carbono
CH4 Metano
ºC Graus Celsius
CTR Centro de Tratamientode Residuos (Centro de Tratamento de Resíduos)
DA Digestão Anaeróbia
DMLU Departamento Municipal de Limpeza Urbana
ERDA Energy Research and Development Administration (Administração de Pesquisa e Desenvolvimento em Energia)
ETE Estação de Tratamento de Efluentes EUA Estados Unidos da América
FEAM Fundação Estadual do Meio Ambiente
FORSU Fração Orgânica dos Resíduos Sólidos Urbanos
GDL Gás do Lixo
GEE Gases Causadores de Efeito Estufa GEMUC Gerência de Mudanças Climáticas GMV Gás Metano Veicular
GN Gás Natural
xiv
hab Habitante
H2S Gás Sulfídrico ou Ácido Sulfídrico
kg Quilograma
KJ Quilo joule
kWh Quilowatts-hora
L Litro
MG Minas Gerais
MOR Matéria Orgânica Residual
MS Matéria Seca
MSW Municipal Solid Waste (Resíduos Sólidos Urbanos)
MW Megawatts
m3 Metros Cúbicos
N2 Nitrogênio
ONG Organização Não Governamental
OWS Organic Waste System (Sistemas de Resíduo Orgânico)
Pa Pascal
PCI Poder Calorífico Inferior PET Tereftalato de Polietileno
PIE Produção Independente de Energia
ppmV Partes por milhão de volume
RJ Rio de Janeiro
RSU Resíduos Sólidos Urbanos SIN Sistema Interligado Nacional
ST Sólidos Totais
SV Sólidos Voláteis
t Tonelada
TDH Tempo de detenção hidráulico TDS Tempo de Detenção de Sólidos
TJ Terajoule
TMB Tratamento Mecânico Biológico
TWh Terawatts-Hora
UE União Europeia
xv
RESUMO
A gestão adequada dos resíduos sólidos urbanos (RSU) é um dos principais desafios dos gestores públicos. Por outro lado, a viabilização de fontes alternativas de energia e a redução da emissão de gases causadores do efeito estufa, são necessidades globais. Frente a tais demandas, uma nova tendência tecnológica que vem se consolidando mundialmente é a produção de energia elétrica a partir do biogás gerado no tratamento de resíduos orgânicos via biometanização, enfoque denominado “Waste to Energy”. As restrições adotadas pelos países membros da União Europeia e pela Índia quanto a disposição de resíduos orgânicos em aterros sanitários tem contribuído ainda mais para a disseminação dessas tecnologias. Estão disponíveis no mercado, uma grande variedade de tecnologias de biometanização de RSU, entretanto, a definição da tecnologia mais eficiente a ser adotada nem sempre é uma tarefa simples. Visitas técnicas foram realizadas em pelo menos uma planta das tecnologias líderes de mercado ─ Valorga, Laran, Kompogas e Dranco─ de forma a verificar in-loco a realidade operacional dessas unidades e discutir com operadores as potencialidades e vulnerabilidades de cada uma delas. Para auxiliar a definição da tecnologia mais adequada para a construção de uma planta piloto no estado de Minas Gerais, o presente estudo elaborou uma metodologia de avaliação, composta por 35 indicadores, agrupados nos temas: Histórico das Tecnologias; Aspectos Operacionais, Dados de Projeto; e Dados Reais. No intuito de otimizar uma análise crítica das tecnologias disponíveis no mercado internacional, a metodologia desenvolvida avalia a experiência acumulada e o desempenho real, funcionando como uma ferramenta para auxiliar na tomada de decisão. A metodologia desenvolvida foi aplicada na análise das quatro plantas de biometanização de RSU visitadas. Apresentando o melhor desempenho no grupo Histórico das Tecnologias e o segundo melhor nos Dados Reais, a tecnologia B foi a tecnologia de maior pontuação, atingindo 62,33 pontos. Destacando-se nos grupo Dados Reais e Aspectos Operacionais, a tecnologia D apresentou o segundo melhor desempenho e somou 61,76 pontos. Sendo assim, pode-se afirmar que considerar um empate técnico entre as tecnologias B e D. Com um bom desempenho no grupo Dados de Projeto, a tecnologia C alcançou o terceiro melhor resultado e obteve 57,81 pontos. Já a tecnologia A, mesmo apresentando um bom resultado no grupo Aspectos Operacionais, foi a de pior desempenho, somando 44,24 pontos. Todas as tecnologias avaliadas apresentaram problemas operacionais, o que demonstra que as mesmas ainda estão em desenvolvimento. A construção de uma planta piloto no estado de Minas Gerais deve ser baseada nas tecnologias existentes, mas focada no desenvolvimento de uma tecnologia nacional, adaptada a realidade brasileira.
xvi
ABSTRACT
An effective management of municipal solid waste (MSW) is one of the major challenges faced by public managers. Furthermore, the availability of alternative energy sources and the reduction of greenhouse gases emissions are demands all over the world. In view of such requirements, a new technological trend that has been consolidated globally is the production of electricity from the biogas generated by the treatment of organic wastes by means of biomethanization, a tendency named “Waste to Energy”. Moreover, restrictions adopted by European Union Member States and India related to the final disposal of organic waste at landfills has contributed to the dissemination of such technologies. A broad variety of biomethanization are available at the market, nevertheless, the selection of the most suitable technology is not a simple task. In order to give support to a comprehensive evaluation on that theme, technical visits were carried out at least in one of the leading plants on MSW dry biomethanization, i.e. Valorga, Laran, Kompogas and Dranco. These visits allowed to check
in situ the operational reality of the plants, as well as gave space to a broad discussion with the operators about the potentials and vulnerabilities of each technology evaluated. Aiming to contributing to the definition of the most suitable biomethanization technology to be adopted as pilot-plant in Minas Gerais State, the present research developed an assessment methodology encompassed by 35 indicators, grouped into the following themes: Historic of Technologies; Operational Aspects; Projected Performance; Real Performance. In order to optimize a critical analysis of the technologies available at the international market, the developed methodology evaluate the accumulated experience and the real performance of the systems covered by the research, being a tool to support the decision making of state authorities searching for the most appropriate technology to be adopted by a project to be carried out in Minas Gerais. The developed methodology was applied to evaluate four dry biomethanization plants of MSW currently running with Valorga, Laran, Kompogas and Dranco technologies. The technology B had the best score concerning the Historic of Technology and the second position regarding Real Performance, reaching 62,33 points. At the group Real Performance and Operational Aspects, the leading technology was the technology D system that showed the second major global performance, grading 61,76 points. Therefore, it can be considered a technical tie between the technologies B and D. Achieving a good score at the group Projected Performance, the technology C remained at the third position and gained 57,81 points. Finally, the technology A, despite getting a good score concerning Operational Aspects, had the worst global performance, scoring 44,24 points. Despite the positive results, it has become evident that all technologies evaluated presented operational problems, which attests that they are still under development. For that reason, the present research recommends that the construction of a pilot-plant in Minas Gerais State has to be based on the existent range of technologies, but focusing on the development of a national model able to be integrally suitable for the Brazilian reality.
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1.
Introdução
A busca por alternativas energéticas que minimizem a dependência da sociedade moderna por combustíveis fósseis tem sido objeto de inúmeras pesquisas a nível mundial. Com o intuito de reduzir os impactos globais provocados pela queima do petróleo e seus derivados, fontes renováveis e que emitem uma menor quantidade de carbono são cada vez mais demandadas e pesquisadas.
É sabido que uma parcela significativa das emissões globais de gases causadores do efeito estufa (GEE) é originária da disposição inadequada de resíduos orgânicos, uma vez que resulta em processos anaeróbios de decomposição. Aliando-se o correto gerenciamento de resíduos, a diminuição da emissão de GEE e geração de energia renovável, a digestão anaeróbia controlada, ou biometanização, é uma rota tecnológica que vem se destacando mundialmente no tratamento da fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos (RSU).
Segundo Tchobanoglous et al (2002), a digestão anaeróbia (DA) é um processo biológico de degradação da matéria orgânica que ocorre na ausência de oxigênio. O principal subproduto gerado é o biogás, energético constituído principalmente por metano. Por meio de técnicas de engenharia o biogás é tratado e utilizado como combustível para diversos fins, resultando em energia elétrica, térmica ou mecânica.
Segundo RISE-AT (1998), o biogás é constituído por metano (55-70%), dióxido de carbono (30-45%) e de 200 a 4.000 ppmV de gás sulfídrico (H2S). De acordo com Giacaglia e Silva
Dias (1993), o biogás encontra-se saturado em vapor d'água, apresentando ainda traços de N2 e outros compostos.
A produção do biogás ocorre naturalmente em ambientes úmidos sem a presença de oxigênio, tais como pântanos, sedimentos de rios, lagos e mares, minas de carvão, no trato digestivo de animais, entre outros. Segundo Ramalho (1983), estima-se que a digestão anaeróbia com formação de metano seja responsável pela completa mineralização de 5 a 10% de toda a matéria orgânica disponível no planeta.
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redes de distribuição de gás natural (COLDEBELLA, 2006; TNTG, 2003; Pace Project, 2010, COSTA, 2006; DIRKSE, 2006; DEUBLEIN e STEINHAUSER, 2008; SCHMID, 2008; IEA Bioenergy, 2005; FIGUEIREDO, 2007; OLIVEIRA, 2009; GODLOVE, 2010; ZANETTE, 2009; STERNAD, 2010; SANTIANES et al, 2009; NAVICKAS e VENSLAUSKAS, 2008; CLEMENTSON, 2007; LAM et al, 2009; CHEN et al, 2010; The AgSTAR Program, 2010; VANZIN et al, 2005; BLEY, 2010; COELHO, 2001; FERNANDES e DIAS, 2010,; LANDAHL, 2003; LI, 2006; MUTHUPANDI, 2007; NES, 2006). Não obstante, diversas pesquisas estão sendo realizadas a nível mundial com foco na otimização dos sistemas de produção e consumo do biogás, de forma a aumentar a eficiência energética desses sistemas, tornando-os mais competitivos quando comparados a outras fontes de energia. A utilização de ferramentas de engenharia e de biotecnologia em processos anaeróbios é cada vez mais empregada, de forma a controlar e otimizar o processo de degradação da matéria orgânica (THIELE, 2008; ELIYAN et al.,2007; MOLETTA, 2009; DE BAERE, 2008; DE BAERE, e MATTHEEUWS, 2008; RAPPORT et al, .2008; ARCHER et al., 2005; AUSTERMANN et al., 2007; BANKS, 2009; BURNLEY, 2006; CHENG, 2009; CHRZASTEK, 2009; EDELMANN e ENGELI, 2005; FULFORD, 2009; GAUTAM et al., 2009; KELLEHER, 2007; CARDINALI-REZENDE et al., 2008; CARDINALI-REZENDE et al., 2009).
De acordo com Nogueira (1986), a primeira planta de biometanização com aproveitamento energético foi construída em 1857 em Bombaim, Índia, onde o biogás era utilizado para cocção. A partir de uma unidade composta por um tanque séptico para o tratamento de efluentes sanitários, o biogás era captado e utilizado em um hospital de hansenianos. Desde então, a engenharia para a produção de unidades de biometanização vêm sendo aprimorada, sendo aplicada no tratamento dos mais variados tipos de efluentes líquidos ricos em matéria orgânica. Entretanto, apenas após 1990 que a utilização dessa tecnologia no tratamento da fração orgânica dos RSU vem-se tornando uma realidade (DE BAERE E MATTHEEUWS, 2008).
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(FORSU) apresenta problemas operacionais distintos dos observados no tratamento de lodos. O acúmulo de plásticos, pedras e outros materiais impróprios no interior do digestor, dificuldades na mistura e homogeneização do material em digestão e a obstrução das linhas de introdução e extração são alguns dos problemas operacionais enfrentados pelas unidades industriais de tratamento dos RSU em operação. Segundo Guatellas (2008), de 99 plantas de biometanização de RSU instaladas na Espanha, 12 encerraram suas atividades, 20 estão passando por problemas operacionais e 60 por dificuldades econômicas.
Sendo assim, pode-se dizer que a tecnologia de biometanização dos RSU ainda não está completamente desenvolvida e que esforços são empreendidos para a minimização das limitações enfrentadas pelas unidades industriais em operação. Entretanto, apesar das dificuldades, observa-se que desde o ano de 1990 anos houve um incremento significativo na capacidade instalada mundial para tratamento anaeróbio dos RSU, especialmente na Europa. Segundo De Baere e Mattheeuws (2008), de 1990 a 2010 a capacidade instalada das plantas de biometanização de RSU na Europa aumentou em quase 6.000%, passando de 87.000t/ano para 5.204.000t/ano. De acordo com Söderman (2003), 7% da energia utilizada para aquecimento e geração de energia na Suécia vêm dos resíduos sólidos diversos. A ampliação na utilização de processos anaeróbios deve-se, basicamente, a fatores como os elevados preços da energia, às restrições ambientais para a disposição de matéria orgânica em aterros sanitários e às dificuldades na implantação de novos aterros ou na expansão dos existentes.
A fração orgânica dos RSU, dependendo de como é coletada, pode ser é classificada de duas maneiras: com a segregação da matéria orgânica na fonte de geração e a coleta é realizada separadamente dos demais resíduos sólidos, é denominada FORSU; sem a segregação na fonte de geração e a fração orgânica é recuperada em unidades de triagem, é classificada como Matéria Orgânica Residual (MOR). Em plantas de tratamento mecânico-biológico, ou plantas TMB, o tratamento da MOR é sempre mais oneroso e complexo, apresentando grandes dificuldades operacionais devido a esse material possuir uma maior quantidade de impróprios ao processo de biometanização do que a FORM.
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tratamento; biometanização; recuperação, tratamento e aproveitamento do biogás; tratamento/disposição final da fração sólida residual; tratamento dos efluentes líquidos; sistema de captação e tratamento do ar ambiente (sistemas de desodorização).
Essas plantas geralmente são construídas em galpões que operam a pressões negativas, coletando e tratando o ar ambiente de forma a minimizar impactos oriundos da geração de maus odores. Esses galpões possuem sistemas de coleta e direcionamento do ar ambiente a sistemas de desodorização, geralmente constituídos por uma etapa de tratamento químico via scrubbers1 (ácido e básico) seguida para uma de tratamento biológico via biofiltros.
Nessas unidades ocorre a remoção de elementos como o gás amônia e compostos orgânicos voláteis.
Nas unidades de pré-tratamento, o resíduo recebido passa por processos físicos de triagem, cujo objetivo é a recuperação da maior quantidade possível de materiais recicláveis (vidros, plásticos, metais, entre outros), impróprios ao processo de digestão anaeróbia. Nessa etapa podem ser empregados processos mecanizados de triagem, que utilizam equipamentos como eletroímãs, indutores Focault, mesas dessimétricas, trommels2 e processos manuais, em que
operários atuam como catadores separando as diversas frações de materiais não biodegradáveis.
Uma vez separados os materiais impróprios, a fração orgânica é triturada e direcionada a digestores anaeróbios, nos quais, via processos biológicos, ocorre uma estabilização parcial desse material, resultando na produção de biogás e lodo digestado ou digerido. O biogás é captado, condicionado (remoção da umidade, gás sulfídrico e, ocasionalmente, dióxido de carbono) e direcionado ao sistema de aproveitamento energético.
Após a passagem pelo digestor, o material digestado é desumidificado por centrífugas e prensas, e, posteriormente, peneirado para a remoção de impurezas (plásticos, pedras, vidros e outros). A fração sólida é encaminhada a unidades de compostagem, e a fração líquida a estações de tratamento de efluentes (ETE).
1 Scrubbers são lavadores de gases.
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As ETEs de Plantas TMB de RSU são utilizadas para a remoção da carga poluidora dos efluentes líquidos gerados no processo de desumidificação do digestado. Esse efluente costuma apresentar elevadas concentrações de matéria orgânica e amônia (COLTURATO, 2009). Geralmente essas unidades utilizam processos de nitrificação-desnitrificação seguidos por sedimentadores ou sistemas de ultrafiltração seguido por osmose reversa.
A fração sólida proveniente do processo de desumidificação do digestado geralmente é direcionada a sistemas de aeróbios para pós-tratamento e estabilização. Comumente são utilizados túneis de compostagem com aeração pela base e unidades de maturação e remoção de impróprios, nos quais o material passa por seguidos processos de revolvimento até a completa estabilização.
As tecnologias de biometanização podem ser classificadas de acordo com tais características:
teor de sólidos (via úmida ou via seca);
sistema de introdução/extração (batelada ou fluxo contínuo); temperatura do processo (mesofílica ou termofílica);
divisão das etapas de digestão (estágio simples ou multiestágio).
Dentre essas classificações, um dos pontos mais relevantes é o teor de sólidos. As tecnologias via úmida, que operam com um teor de sólidos entre 3 e 7%, geralmente são sistemas mais caros e complexos. Diferentemente dos sistemas via seca, que operam com teores de sólidos superiores a 15%, os sistemas via úmida adicionam água ou outros líquidos ao material a ser digerido de forma a adequar os resíduos de entrada às condições operacionais requeridas no digestor. Tal procedimento acarreta uma maior geração de efluentes líquidos.
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dos resíduos orgânicos. Todavia, os custos de instalação e operação dessas unidades são extremamente reduzidos (VOEGELI e ZURBRÜGG, 2008).
A título de ilustração, os custos de implantação de uma unidade de biometanização Dranco, de alta tecnologia, para o tratamento de 100.000t/ano, são de cerca de €30.000.000,00 (trinta milhões de euros) e os operacionais são de €10,00 (dez euros) por tonelada de resíduo tratado. Considerando os custos de implantação da unidade e a sua operação por um ano, o tratamento de cada tonelada de resíduo ficaria em €310,00 (trezentos e dez euros) (AUSTERMANN et al 2007). Já uma unidade de biometanização da Bhabha Atomic Research Centre (BARC), considerada de baixa tecnologia, a implantação de uma planta para o tratamento de 1.825t/ano custa cerca de €52.500,00 (cinquenta e dois mil e quinhentos euros), incluídos os valores referentes à manutenção e operação por um ano. Considerando os custos de implantação e da operação desse sistema por um ano, a tonelada de resíduos tratada gira em torno de pouco menos de €30,00 (trinta euros), ou seja, cerca de 10% dos custos para uma unidade Dranco (VOEGELI e ZURBRÜGG, 2008), entretanto, os tempos de detenção são extremamente elevados e a eficiência na produção de biogás, bastante reduzida.
Até o ano de 2010 o Brasil não dispunha de nenhuma planta industrial para a biometanização da fração orgânica do RSU. O País possui sistemas de digestão anaeróbia para o tratamento de efluentes líquidos sanitários, industriais (têxtil, laticínio, entre outros) e da agroindústria (suinocultura), bem como unidades de recuperação e utilização do biogás produzido em aterros sanitários e ETEs. Cabe destacar ainda que, na grande maioria dos casos, o potencial energético do biogás não é aproveitado, sendo apenas queimado em flares3.
Segundo a Abrelpe (2010), em 2009, 57% dos RSU gerados no Brasil foram dispostos ou tratados em conformidade com a legislação ambiental vigente no País, sendo a maioria desses resíduos disposta em aterros sanitários. Do ponto de vista da legislação brasileira, essa é uma prática considerada adequada; entretanto, do ponto de vista global, a disposição de resíduos orgânicos em aterros sanitários começa a ser proibida em diversos países. Isso decorre da possibilidade de emissões não controladas de metano nos aterros, e ao fato de que o metano possui potencial de aquecimento global 21 vezes superior ao dióxido de carbono (CO2) (IPCC, 2006).
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A Diretiva Europeia 1999/31 estabelece restrições na disposição desses materiais em aterros sanitários, obrigando os países membros da comunidade europeia a buscarem formas alternativas para o tratamento de seus resíduos sólidos. Considerando a necessidade de adoção de práticas que venham a conter a emissão de gases causadores de efeito estufa, e que a disposição de materiais orgânicos em aterros sanitários pode ocasionar a emissão não controlada do gás metano, a referida diretiva estabelece metas de redução quanto à disposição de resíduos orgânicos em aterros sanitários.
Na mesma linha, na Índia, foi aprovada a legislação The Indian Municipal Solid Waste (Management and Handling) Rules 2000,a qualestabelece a obrigatoriedade da segregação dos resíduos na fonte de geração e proíbe a disposição em aterros sanitários de resíduos orgânicos, exigindo que a fração orgânica receba algum tipo de tratamento biológico adequado (VOEGELI e ZURBRÜGG, 2008).
Segundo o IBGE (2010), o Brasil coleta em torno de 183.488 toneladas de RSU por dia. Considerando que 52% desses resíduos sejam compostos por matéria orgânica (IPT/CEMPRE, 2000), a coleta de resíduos orgânicos é de 95x103 toneladas por dia. De
acordo com RISE-AT (1998), a taxa média de produção de biogás em unidades de biometanização varia entre 80 a 200m3 por tonelada de resíduo orgânico processado e a
concentração de metano varia entre 55 e 70%. Se se considerasse que 100% dos RSU coletados no Brasil fossem processados em unidades de biometanização que gerassem em média de 150m3 de biogás por tonelada de resíduo orgânico processado, o potencial de
geração de biogás, a partir dos RSU, seria de cerca de 14x106 m3/dia. Considerando uma
concentração de 62,5% de metano no biogás, a utilização desse potencial poderia representar um incremento cerca de 1.400MW na matriz elétrica brasileira de uma geração de 12,5TWh/ano. Levando-se em conta que em 2008 a geração elétrica no Brasil foi de 463,1TWh (EPE, 2009), esse potencial representaria um incremento de 2,7% da geração elétrica brasileira.
O biogás pode ser utilizado também como combustível de automóveis, o chamado gás metano veicular (GMV). Após um processo de condicionamento (remoção da umidade, H2S
e CO2) o biogás é comprimido a 20.000.000Pa e pode ser utilizado em qualquer veículo
8 Resources Board4, o biometano é o combustível que menos contribui para o aquecimento
global, e os veículos que o utilizam emitem de 30 a 50% menos gases causadores de efeito estufa do que os movido a hidrogênio ou eletricidade.
A Fundação Estadual de Meio Ambiente (FEAM), de acordo com o Decreto Estadual n° 44.819/2009, tem por finalidade executar a política de proteção, conservação e melhoria da qualidade ambiental, no que concerne à gestão do ar, do solo e dos resíduos sólidos, bem como desenvolver pesquisas em tecnologias ambientais que visem à preservação e à melhoria da qualidade ambiental do Estado de Minas Gerais. Buscando aliar a adoção de práticas ambientalmente adequadas na gestão dos RSU, na recuperação do potencial energético dos resíduos e na disponibilização de fontes alternativas de energia que reduzam a emissão de gases causadores de efeito estufa, a FEAM está desenvolvendo o projeto
“Resíduo é Energia”. Nesse projeto, a Fundação estuda formas alternativas no gerenciamento dos RSU, nas quais a biometanização vem ganhando cada dia mais atenção.
Nesse contexto, este trabalho buscou verificar o estado da arte da tecnologia de biometanização de RSU, realizando, além de extensa pesquisa bibliográfica, discussão com especialistas, projetistas e operadores de planta, uma pesquisa in loco para investigação da realidade das plantas de biometanização seca de RSU de alta tecnologia. Com base nas informações obtidas, elaborou-se uma metodologia para avaliação do deelaborou-sempenho das principais tecnologias de biometanização seca de RSU, de forma a subsidiar a FEAM na tomada de decisão para a definição da melhor tecnologia a ser utilizada na construção de uma unidade-piloto no estado de Minas Gerais.
4 Fonte:
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2.
Objetivos
O objetivo geral do presente trabalho foi verificar o estado da arte da biometanização seca de resíduos sólidos urbanos (RSU) no mundo, de forma a possibilitar a definição de diretrizes básicas para auxiliar a Fundação Estadual de Meio Ambiente na definição da tecnologia mais adequada para a implantação de uma unidade-piloto de biometanização de RSU em Minas Gerais.
Os objetivos específicos foram:
estabelecer indicadores de desempenho para avaliar as tecnologias biometanização de RSU estudadas;
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3.
Contextualização
3.1Apresentação do Problema
A gestão dos RSU vem se tornando uma preocupação crescente da sociedade moderna. Embora significativos avanços tenham ocorrido desde 1990, principalmente nos países desenvolvidos, a solução para problemas advindos da gestão inadequada dos RSU constitui-se, ainda, um dos maiores desafios para a gestão pública dos países em via de desenvolvimento (CASSINI et al., 2003).
Nesses países, a precariedade da prestação dos serviços de saneamento se reflete principalmente na gestão de resíduos sólidos. De acordo com Abrelpe (2010), cerca de 43% de todo o resíduo gerado no Brasil é disposto de forma inadequada. Segundo o IBGE (2010), dos 5.564 municípios brasileiros, 5.562 possuem algum tipo de sistema de disposição de RSU; entretanto, 4.078, ou 73%, dos municípios dispõem seus RSU em vazadouros a céu aberto (lixões) ou em aterros controlados ─ considerados como sistemas inadequados de destinação final dos RSU. Esses locais não dispõem de infraestrutura básica que atenda aos pré-requisitos mínimos da engenharia sanitária e ambiental. A disposição inadequada de resíduos sólidos gera impactos negativos no ar, solo e água, permitindo a proliferação de macro e micro vetores de micro-organismos patogênicos, com consequências sociais e problemas para a saúde pública.
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Segundo Pires (2006), estima-se que, no Brasil, 800 mil pessoas trabalham nos lixões ─ locais sem as menores condições humanas de saúde ─ selecionando e comercializando os materiais recicláveis provenientes dos RSU ali dispostos. A Agenda 21 Global, de junho de 1992, assinado por 170 países, afirma que cerca de 5,2 milhões de pessoas no mundo, entre elas 4 milhões de crianças menores de 5 anos, morriam devido a enfermidades relacionadas ao contato com os RSU.
No Estado de Minas Gerais, o Conselho Estadual de Política Ambiental (COPAM), com o objetivo de reduzir a poluição do solo e das águas e de melhorar a qualidade de vida da população, determinou, a partir de 2001, que os municípios implementassem medidas mitigadoras nos lixões e, ainda, para aqueles que possuíssem população urbana igual ou superior a 30.000 habitantes, a obrigatoriedade de implantar sistemas de tratamento ou disposição final dos RSU tecnicamente adequados e licenciados.
As principais técnicas utilizadas para tratamento ou disposição final dos RSU empregadas no mundo são as citadas a seguir:
3.1.1 Sistemas de Disposição Final
Vazadouro a céu aberto ou lixão: é uma das alternativas mais utilizadas por países em desenvolvimento; entretanto, é a mais inadequada de todas. Caracteriza-se pela simples disposição dos RSU sobre o solo, não obedecendo a nenhum critério de proteção ambiental ou à saúde pública. Essa prática acarreta contaminação do solo, água, ar e proliferação de vetores transmissores de doenças (LANZA, 2009).
Aterro Controlado: sistema de disposição final similar aos lixões, tendo como principal diferença o recobrimento diário do material ali disposto por uma camada de solo. Não possuem os sistemas básicos de controle ambiental, tais como a impermeabilização da base, coleta e tratamento dos lixiviados e a queima do biogás gerado. São sistemas inadequados, acarretando contaminação do solo e das águas (LANZA, 2009). Cabe destacar que, em muitos casos, devido à forma inadequada com que os municípios operam os aterros controlados, estes retornam à condição de lixão ou vazadouro a céu aberto.
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saúde pública e ao meio ambiente. Os RSU são dispostos em células e compactados com auxílio de tratores, compactadores ou outras máquinas de grande porte. É realizado o recobrimento diário com solo do material ali disposto; a base da área é impermeabilizada; são implantados sistemas de coleta e tratamento do chorume (ou lixiviado) gerado; drenagem das águas superficiais; bem como coleta e queima do biogás (D’ALMEIDA e VILHENA, 2000).
3.1.2 Sistemas de Tratamento
Usinas de Triagem e Compostagem: são unidades que realizam a triagem manual ou mecanizada dos RSU, segregando os RSU em diferentes frações; os materiais recicláveis, a fração orgânica e o rejeito. Os materiais recicláveis segregados são prensados, enfardados e posteriormente comercializados; a fração orgânica é encaminhada aos pátios de compostagem onde, por um processo de degradação aeróbia, é convertida em um composto orgânico; os rejeitos são aterrados em valas sépticas ou encaminhados a aterros sanitários (LANZA, 2009).
Plantas de Tratamento Mecânico-Biológico (TMB): são unidades em que o RSU é submetido a processos manuais e mecanizados de triagem. A fração orgânica é direcionada a algum processo biológico de tratamento para estabilização, geralmente sendo empregado a biometanização ou a compostagem acelerada. Para a segregação mecânica geralmente são utilizados equipamentos como trommels, mesas dessimétricas, eletroímãs, indutores Focault, sopradores, entre outros. A triagem manual é realizada com o auxílio de catadores e para o tratamento biológico da fração orgânica podem ser empregados processos de biometanização, compostagem em pátios ou em túneis, dentre outras tecnologias (ARCHER, 2005).
Reciclagem: é um processo industrial, no qual resíduos como papéis, papelões, vidros e plásticos são processados e convertidos novamente em matéria-prima, devolvendo a esses materiais características similares aos do produto original.
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para a atmosfera devem passar por sistemas de tratamento. O processo de incineração provoca uma redução de 80 a 85% na massa e de 95 a 96% no volume (CRWI, 2010).
Pirólise/Gaseificação: é um processo termoquímico de conversão de matéria orgânica em combustíveis gasosos. É dividido em dois estágios: no primeiro, denominado pirólise, os compostos são volatilizados em temperaturas inferiores a 600°C, o que resulta em um gás
combustível e uma fração sólida composta por carbono fixo e cinzas. No segundo estágio, denominado gaseificação, o carbono remanescente reage com hidrogênio sob calor, podendo ser realizado com ar ou com oxigênio puro. Quando o processo de gaseificação é realizado com oxigênio puro, resulta em gás energético rico em monóxido de carbono e hidrogênio, sendo denominado gás de síntese (KLEIN, 2002).
Plasma: é um processo de tratamento térmico dos resíduos que utiliza energia elétrica e elevadas temperaturas para ionizar algum gás, criando um arco elétrico gaseificado que converte os RSU em gases combustíveis (monóxido de carbono e hidrogênio) e cinzas. As temperaturas de trabalho variam entre 4.000 e 7.000°C, ocorrendo um processo de
vitrificação da fração sólida resultante (CIRCEO, 2010).
A busca por alternativas no tratamento dos RSU dá-se, principalmente, pela mudança de paradigmas e novos conhecimentos técnicos adquiridos, o que possibilita o entendimento de que, muitas vezes, as práticas adotadas não são as mais indicadas. Atualmente, entende-se que o simples aterramento dos RSU é um procedimento que acarreta perda de matérias-primas, energia, e na geração de uma fonte de contaminação futura. As práticas de reciclagem ou de formas alternativas de tratamento dos RSU promovem um melhor aproveitamento da energia contida naqueles materiais. Outro aspecto é que o aterramento do material orgânico presente nos RSU é um dos principais fatores que desencadeiam os processos de contaminação oriundos da gestão dos resíduos. Ao se enterrar esses materiais, iniciam-se processos de decomposição anaeróbia, os quais produzem líquidos e gases com elevado potencial poluidor. O lixiviado, também conhecido como chorume, é um líquido gerado nesses processos, o qual apresenta uma grande carga poluidora, podendo conter inclusive elevados níveis de toxicidade, demandando sistemas de tratamento onerosos e complexos.
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contribuintes para o aumento do efeito estufa. No âmbito global, Houghton (1996) estimou que pouco mais da metade das emissões de metano seja antropogênica e que de 5 a 20% destas fontes eram emissões a partir do manejo inadequado dos resíduos. Apesar dos aterros sanitários possuírem sistemas de drenagem de gases, uma parcela significativa é liberada na atmosfera de forma difusa, ou seja, fora dos drenos de gás. Soluções alternativas para tratamento da parcela orgânica dos RSU são cada vez mais pesquisadas e demandadas. No Brasil, iniciativas para o tratamento dessa fração dos resíduos foram empreendidas, principalmente por meio de processos aeróbios de tratamento, denominados compostagem. Porém, devido a uma série de fatores, muitas plantas de tratamento sequer iniciaram operação e outras operam de forma deficiente.
As metas do Estado de Minas Gerais, em operacionalização por meio de ações coordenadas pela Fundação Estadual do Meio Ambiente (FEAM), definem que 60% da sua população urbana seja atendida com sistemas de tratamento ou destinação final adequados, e que 80% dos lixões do Estado seja erradicado até o ano de 2011. Nesse sentido, entre 2001 e 2008, o Programa Minas sem Lixões contabilizou a redução de 56% no número de municípios que utilizam lixões e um acréscimo de mais de 100% na população urbana atendida por sistemas ambientalmente adequados. A situação do tratamento dos RSU de cada município mineiro pode ser consultada no Inventário de Resíduos Sólidos de Minas Gerais, disponível no endereço eletrônico www.siam.mg.gov.br/residuos/solidos. Com base nos dados disponíveis na FEAM, é apresentada na Tabela 3.1, a situação da disposição final dos resíduos nos
municípios mineiros e, na Tabela 3.2, a situação por população atendida.
Tabela 3.1 - Situação da disposição final de RSU nos 853 municípios de Minas Gerais
Tipo de disposição 2001 2005 2006 2008 2001/2008 Ganhos
Lixão 823 546 520 462 -44%
Aterro Controlado Sem Inf. 191 206 241 26%1 Usina de Triagem e Compostagem 22 56 59 95 332% Usina de Triagem e Compostagem
não regulamentada Sem Inf. 17 33 9 -47%1
Aterro Sanitário 8 22 31 49 513%
Aterro Sanitário não regulamentado Sem Inf. 0 1 - - 1 Calculado para o período de 2005 a 2008.
15 Tabela 3.2 - Situação da disposição final de RSU por população urbana atendida
Aterro Controlado Usina Aterro Sanitário
Total 2003 - 165.315 hab. 2.671.119 hab.
- 1,13% 18,20%
Total 2006 3.488.460 hab. 276.999 hab. 5.368.871 hab.
23,80% 1,90% 36,76%
Fonte: Adaptada de www.feam.br. Acesso em 25/10/2009
A estratégia para a implementação da política ambiental de gestão de resíduos sólidos urbanos de Minas Gerais foi fundamental para a mudança observada no tratamento e disposição final dos resíduos. A partir de 2003, o Programa “Minas sem Lixões” passou a desenvolver ações de gerenciamento de RSU que, até então, fundamentada unicamente no processo de licenciamento ambiental, passou a adotar outros instrumentos de condução e orientação, tais como otimização dos instrumentos de gestão; informação à sociedade; edição de material explicativo; orientação aos municípios; adoção de procedimentos de monitoramentos automatizados e busca de recursos financeiros visando à melhoria da qualidade ambiental.
A FEAM busca ─ além de incrementar o percentual de população urbana que dispõe de coleta, tratamento e disposição adequada dos seus RSU gerados ─ fomentar o desenvolvimento de novas tecnologias que contribuam para agregar valor, recuperar a energia presente nos RSU e mitigar as emissões dos GEE. Com base nessas novas premissas, a FEAM está desenvolvendo o projeto “Resíduo é Energia”, que, dentre outras ações, busca a implantação de unidades de tratamento dos resíduos que promovam a valorização dos RSU, seja via incineração, digestão anaeróbia, coprocessamento em fábricas de cimento ou na utilização do biogás gerado em aterros sanitários.
Nesse sentido, a FEAM considera que a biometanização dos RSU é uma rota tecnológica a ser incentivada, pois essas unidades possuem um elevado potencial de mitigações nas emissões de GEE, disponibilização de materiais para reciclagem e recuperação do potencial energético presente nos RSU.
3.2O Processo de Digestão Anaeróbia
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hidrólise: é a etapa inicial do processo. Os materiais particulados complexos (polímeros) são convertidos compostos solúveis mais simples (menor massa molar), possibilitando que as bactérias fermentativas os absorvam através de suas paredes celulares. Essa dissolução ocorre por meio de enzimas extracelulares expelidas pelas bactérias. Com esse processo de hidrólise, as proteínas são convertidas em aminoácidos, os lipídeos solúveis em ácidos graxos e os carboidratos em açúcares simples.
acidogênese: os compostos solúveis gerados na fase de hidrólise são assimilados pelas bactérias e metabolizados, sendo convertidos, principalmente, em ácidos graxos voláteis (AGV). Em menores quantidades são gerados alcoóis, ácido lático, gás carbônico, hidrogênio, amônia, sulfeto de hidrogênio e novas células bacterianas. acetogênese: os compostos gerados na acidogênese são oxidados e convertidos a
hidrogênio, dióxido de carbono e acetato, o que forma o substrato adequado ao desenvolvimento das bactérias metanogênicas.
metanogênese: é nessa fase queos compostos orgânicos são convertidos em biogás pelas bactérias metanogênicas. As bactérias envolvidas nesse processo são divididas em dois grupos: as acetoclásticas, que produzem o metano a partir do ácido acético e de outros compostos, contendo um átomo de carbono; e as hidrogentotróficas, que metabolizam o hidrogênio e o dióxido de carbono, gerando o gás metano.
sulfetogênese: fase onde as bactérias sulforedutoras reduzem os sulfatos e outros compostos sulfurados em sulfetos. Essas bactérias se alimentam de uma gama de substratos, podendo competir com as demais bactérias. Essa fase pode ou não ocorrer no processo de digestão anaeróbia, e só ocorrerá de forma significativa se houver grande quantidade de sulfato presente no meio. Nesse caso, a produção de metano tende a diminuir e a de gás sulfídrico a aumentar, o que é indesejável do ponto de vista balanço energético do aproveitamento do biogás.
De forma a possibilitar uma melhor compreensão do processo de digestão anaeróbia, é apresentada na Figura 3.1, a sequência metabólica e grupos microbianos envolvidos no
17 Figura 3.1– Sequências metabólicas e grupos microbianos envolvidos no processo de digestão
anaeróbia com redução de sulfato. Fonte: Adaptada de CHERNICHARO (1997).
Ainda segundo Chernicharo (1997), o processo pode ser ainda resumido em duas etapas principais: na primeira, os compostos orgânicos complexos são convertidos em materiais mais simples como ácidos voláteis, hidrogênio e outros; na segunda, ocorre a conversão desses compostos nos produtos finais gasosos do processo de digestão anaeróbia, em especial os gases metano e carbônico, principais componentes do biogás.
Nos sistemas anaeróbios, a maior parte da DQO é convertida em metano (cerca de 50 a 70%), sendo removida do material em digestão e extraída do digestor na forma gasosa. Entre 5 a 15% do material orgânico é convertido em biomassa microbiana e cerca de 10 a 30% não é convertida em biogás ou biomassa, permanecendo como material não degradado (CHERNICHARO, 1997).
Por outro lado, como a matéria orgânica não é completamente convertida em biogás, entre 5 a 15% da DQO convertida em um sistema anaeróbio transforma-se em novas células (lodo ou biomassa anaeróbia), e o restante convertido em metano. O lodo produzido sai estabilizado, necessitando apenas ser adensado e desidratado antes da sua disposição final.
Orgânicos Complexos
Ca rboidra tos, Proteína s, Lipídeos e outros.
Ácidos Orgânicos Simples Açúca res, Aminoá cidos, Peptídeos
H2e CO2
Acetato
CH4e CO2
H2S e CO2
Hidrólise Ba ctéria s fermenta tiva s
Acidogênese Ba ctéria s fermenta tiva s
Acetogênese Ba ctéria s a cetogênica s
Ba ctéria s a cetogênica s produtora s de Hidrogênio
Ba ctéria s a cetogênica s consumidora s de Hidrogênio
Metanogênese
Sulfetogênese Ba ctéria s redutora s de sulfa to Meta nogênica s
Hidrogenotrófica s
Meta nogênica s Acetoclá stica s Ácidos Orgânicos
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Devido às características do material em digestão, os lodos provenientes da biometanização dos RSU possuem elevadas concentrações de amônia (COLTURATO, 2009).
3.3O Biogás
O termo biogás é utilizado para denominar o gás gerado durante o processo anaeróbio de decomposição da matéria orgânica. Geralmente é um gás saturado e composto majoritariamente por metano (55 a 70%) e dióxido de carbono (30 a 45%) e, devido à presença do hidrocarboneto metano, o biogás é um gás energético, sendo considerado um bicombustível.
A composição do biogás depende diretamente das características da matéria orgânica degradada. Desconsiderando os constituintes utilizados para a síntese celular, a equação a seguir, primeiramente proposta por Buswell and Boruff (1932) e estendida por Sykes (2001), pode ser utilizada para estimar a quantidade de metano, dióxido de carbono, amônia e gás sulfídrico que serão produzidos em condições de anaerobiose.
CvHwOxNySz+ (𝑉 +𝑤4+2𝑥+3𝑦4+𝑧2) H2O → (𝑣2+𝑤8+4𝑥+3𝑦8+𝑧4) CH4+ (v2+w8+x4+3y8+z4) CO2+ yNH3+ zH3S (4.1)
Segundo Tchobanoglous et al (2002), as frações molares esperadas para o CH4, CO2 e H2S
são definidas pelas equações abaixo:
𝑓CO2=𝑣−𝑤+2𝑥−5𝑦+2𝑧8(𝑣−𝑦+𝑧) (4.2)
𝑓CH4= 4𝑣+𝑤−2𝑥−5𝑦−2𝑧8(𝑣−𝑦+𝑧) (4.3)
𝑓H2S =8(𝑣−𝑦+𝑧)𝑧 (4.4)
19 Tabela 3.3 – Composição esperada do biogás em função do substrato digerido
Fonte: Adaptada de TCHOBANOGLOUSet al (2002).
Na Tabela 3.4 é apresentada a composição média do biogás gerado pela digestão anaeróbia de diversos tipos de resíduos orgânicos.
Tabela 3.4 – Composição média do biogás gerado na digestão de diversos tipos de resíduos orgânicos
Fonte: Adaptada de Salomon e Lora (2009)
Uma vez que o metano (CH4) é o constituinte energético do biogás, o poder calorífico do
biogás é diretamente proporcional à quantidade de CH4 presente nesse mesmo gás. O poder
calorífico inferior (PCI) do CH4 é 35.800 kJ/m3(TCHOBANOGLOUS et al, 2002). Dessa
forma, um biogás com uma concentração de 60% de CH4 possui um PCI de 21.480 kJ/m3.
3.4Breve histórico da biometanização e utilização do biogás
Segundo Lusk (1998), as primeiras evidências da utilização de biogás com fins energéticos datam do século 10 antes de Cristo (A.C.) na cidade de Assyria, localizada na região da Mesopotâmia; do século XVI na região da Pérsia, onde o biogás era utilizado no aquecimento de água para banho; da China, onde era utilizado para a obtenção de sal a partir da água do mar (FULFORD, 2009). No século XVII (D.C.), Baptista Van Helmont foi o primeiro cientista a afirmar que gases inflamáveis estavam envolvidos no processo de decomposição da matéria orgânica. Em 1776, Count Alessandro Volta concluiu que existia uma correlação direta entre a quantidade de matéria orgânica em decomposição e a quantidade de gases inflamáveis gerados nesse processo. Em 1806, Humphry Davy confirmou a presença de metano nos gases produzidos durante o processo de degradação de dejetos animais em locais úmidos.
Substrato CH4 CO2 NH3 H2S
Carboidratos (Glicerina) 50% 50% - -Gorduras (Tripalmitina) 71% 29% -
-Proteinas 38% 38% 18% 6%
Componente Concentração
CH4 40 - 75%
CO2 25 - 40%
N 0,5 - 2,5% H2S 0,1 - 0,5%
O2 0,1 - 1%
NH3 0,1 - 0,5%
