ESTUDO COMPARATIVO DE MÉTODOS QUANTITATIVOS PARA
A PRODUÇÃO DE BIOGÁS COM APLICAÇAO NO ATERRO DE
JOÃO PESSOA - PB
Francisco Humberto de Carvalho Júnior (Professor Dr. Eng., Departamento de resíduos sólidos, Campus Maracanaú/IFCE)
lixeirogari@yahoo.com.br
Yann Cunha Lopes (graduando em Engenharia Ambiental e Sanitária, Campus Maracanaú/IFCE)
yanncunha7@gmail.com
João Mendes de Sousa Neto (graduando em Engenharia Ambiental e Sanitária, Campus Maracanaú/IFCE)
neto_cullum@hotmail.com
Resumo: O biogás é um produto da decomposição de matéria orgânica, ele apresenta
como principais componentes o dióxido de carbono (CO2) e o metano (CH4), sendo este último utilizado como fonte de energia. Aterros sanitários produzem uma quantia considerável de biogás devido à grande quantidade de resíduos que são diariamente dispostos para destinação final. Existem diferentes técnicas para a quantificação de metano gerado, que podem ser de caráter empírico ou prático, podendo apresentar-se de forma grosseira, considerando apenas a quantidade de resíduos sólidos domésticos disposta no aterro, até métodos altamente complexos que considerem uma cinética de geração de biogás e funções utilizando vários parâmetros. Neste trabalho foram analisados dois métodos empíricos aplicados de forma teórica em um aterro sanitário e partindo dos resultados obtidos foi possível compará-los. Foi utilizada a revisão de literatura para a coleta de dados. Com isso, selecionou-se publicações por meio de bibliotecas e acervos eletrônicos, com os artigos selecionados definiu-se as metodologias que seriam comparadas e logo em seguida aplicou-se estas metodologias com base nos dados obtidos do aterro sanitário metropolitano de João Pessoa da Paraíba. Após os resultados foi possível observar que o método de decaimento de primeira ordem, é mais específico e detalhista que o método de projeto, que chega a fazer estimativas grosseiras quanto a produção de biogás a partir da estimativa de produção de metano por ano para aterros em funcionamento ou fechados.
STUDY OF QUANTITATIVE METHODS FOR THE PRODUCTION OF
BIOGAS WITH APPLICATION IN THE LANDFILL OF JOÃO PESSOA
-PB
Abstract: Biogas is a product of organic matter decomposition, it presents as main
components carbon dioxide (CO2) and methane (CH4), the latter being used as a source of energy. Landfills produce a considerable amount of biogas due to the large amount of waste that is daily disposed for final Destination. There are different techniques for the quantification of methane generated, which can be empirical or practical, and can be presented in a gross way, considering only the amount of domestic solid waste disposed of in the landfill, up to highly Complexes that consider a kinetic generation of biogas and functions using various Parameters. In this work two empirical methods applied theoretically in a landfill were analyzed and from the results obtained it was possible to compare Them. Literature review was used for data collection. With this, publications were selected by means of libraries and electronic collections, with the selected articles defined the methodologies that would be compared and then applied these methodologies based on the data obtained from the landfill Metro of João Pessoa of Paraíba. After the results it was possible to observe that the first-order decay method, is more specific and detailed than the design method, which comes to make gross estimates as to the production of biogas from the estimated methane production per year for Operating or Closed Landfills.
Key Words: Biogas, Landfill, Methodologies.
1. INTRODUÇÃO
A decomposição natural ou biológica da parte orgânica dos resíduos sólidos urbanos (RSU) em condição anaeróbia provoca a produção de biogás. A energia presente nesse gás é oriunda basicamente do percentual de metano (CH4) em sua estrutura. Em condições
favoráveis o CH4 representa de 50 a 65% do gás produzido (SILVA, 2012).
A eficiência dos gases produzidos em aterros sanitários depende do processo microbiológico, do resíduo que é decomposto e das variáveis específicas do aterro, por exemplo oxigênio e umidade. Existem quatro fases na produção de biogás e elas acontecem durante a existência do aterro, para que essas fases ocorram depende de muitos fatores,
como pH, umidade, nutrientes, tipos de bactérias presentes, entre outros (MENDES; SOBRINHO,2007).
Após a disposição dos resíduos no aterro, prevalece uma situação aeróbia por conta da presença do oxigênio nos espaços vazios dos resíduos onde são produzidos dióxido de carbono (CO2), água, energia e outros subprodutos, por exemplo biomassa e moléculas
complexas para a fase anaeróbia (FIRMO,2013).
A próximo estágio é a fase anóxica, não metanogênica que começa com uma transição onde o O2 é consumido pelos microorganismos aeróbios. Ao final da fase citada a
concentração de O2 e N2 já é diminuída e a produção de CO2 é acelerada de forma
significativa e é iniciada uma pequena fase de produção de H2 (MENDES; SOBRINHO,2007;
OLIVEIRA, 2013).
Na fase metanogênica destacam-se as ações dos microorganismos acetotróficos e dos hidrogenotróficos produtores de metano (CH4). As concentrações de CH4 e CO2 variam entre 50 – 70% e 30 – 50% do volume de biogás gerado, respectivamente (REGATTIERI, 2009).
A última fase é conhecida como fase de maturação que é caracterizada por ser a fase final da decomposição dos resíduos. Nesse estágio os nutrientes ficam restritos e os resíduos encontram-se em processo de bioestabilização. Entretanto, os materiais recalcitrantes são lentamente decompostos. A produção do biogás nesse ponto começa a decair e depois de vários anos tende a encerrar. A entrada de O2 e N2 no bolo de resíduos tende a acontecer por conta da queda da pressão interna dos gases promovida pela fraca atividade microbiana (MACIEL, 2009)
Existem alguns métodos para a quantificação da produção de biogás, que podem ser práticos com a utilização de aparelhos e empíricos por meio de cálculos estimativos. Este trabalho analisa dois métodos empíricos, o de projeto e o de decaimento de primeira ordem, e tem como objetivo aplica-los de forma teórica a fim comparar as metodologias citadas e seus respectivos resultados.
2. METODOLOGIA
Como primeiro critério para seleção, as publicações deveriam conter em seus títulos os termos completos ou referências a produção de biogás em aterros sanitários. Para especificar e reduzir a gama de publicações selecionadas, utilizou-se um segundo critério, onde foi feita a leitura do resumo disponível. Foram incluídas publicações em inglês e português que atendiam aos dois critérios. Artigos que já tinham sido encontrados em outras
Após a seleção dos métodos, utilizou-se os dados apresentados na dissertação de Silva em 2012 sobre o aterro de João Pessoa para aplicar os métodos escolhidos, baseando-se no estudo apresentado no artigo de Mendes e Sobrinho em 2007, onde os métodos de quantificação de produção de biogás eram aplicados em um aterro fictício para uma comparação teórica.
Os resultados foram postos em uma planilha no programa Excel e para melhor visualização utilizou-se um gráfico para demonstração da produção teórica de biogás no aterro de João Pessoa – PB.
2.1 Métodos Para Medição Da Produção De Biogás
Os métodos utilizados para medição variam entre si, podendo levar em consideração a quantidade de resíduos sólidos domésticos (RSD), a quantidade de metano produzido e até mesmo a densidade demográfica da região que será atendida pelo aterro. Os valores obtidos com os métodos poderiam variar de forma grosseira mesmo quando aplicados em um mesmo aterro.
As metodologias selecionadas baseiam-se no manual do painel internacional de mudanças climáticas (IPCC) de 1996 e no manual da agência de proteção ambiental dos Estados Unidos (USEPA) de 1997, onde são necessários dados censitários e estatísticos sobre a população atendida pelo aterro e sobre o próprio aterro.
2.2 Método de Projeto
De acordo com a Companhia de Tecnologia e Saneamento Ambiental & SMA-SP – Secretaria do Meio Ambiente do Estado de São Paulo (CETESB/SMA), este método é recomendado para aterros que estão na fase de projetos, para que se possa estimar a produção de gás metano ao longo da vida útil e após o fechamento do aterro, quando não é possível estimar de forma exata o fluxo anual de resíduos.
Desta forma, é indicado estimar valores para a quantidade de resíduos que será destinado anualmente para o aterro e com eles criar possíveis previsões para a geração de metano em cada uma das supostas ocasiões.
O método de projeto varia-se em duas equações, onde uma é para aterros em funcionamento normal, que ainda está sendo utilizado para despejo de resíduos e a outra para aterros fechados que já não podem mais receber resíduos, porém ainda produzem biogás devido a matéria orgânica disposta nos anos anteriores.
Para aterros com vida útil:
= 1 − (01)
Para aterros fechados:
= − (02)
Onde:
Q = metano gerado (m3/ano), F = fração de metano no biogás (%), R = quantidade média de resíduos assentados durante a vida útil do aterro (kg RSD/ano), L0 = potencial de geração de biogás (m3 de biogás/kg RSD), k = constante de decaimento (ano-1), c = tempo decorrido desde o fechamento do aterro (ano), t = tempo decorrido desde a abertura do aterro (anos), (MENDES; SOBRINHO, 2007).
2.3 Método de decaimento de primeira ordem
Este método baseia-se na quantificação da produção de metano no aterro a partir da quantidade de resíduos depositado ao longo dos anos. Uma vez definido o ano atual de funcionamento do aterro, utiliza-se os valores obtidos nos anos anteriores para que assim também seja possível uma quantificação teórica da produção futura de metano.
= (03)
Onde:
QT = metano gerado no ano T [m3/ano], F = fração de metano no biogás [%], Rx = quantidade de resíduo depositado no ano x [kg], k = constante de decaimento [ano-1], L0 = potencial de geração de biogás [m3 de biogás/ kg RSD], T = ano atual, x = ano de deposição do resíduo (MENDES E SOBRINHO, 2007).
O valor de Rx varia de acordo com a população, produção per capita de resíduos ao
ano e a taxa de crescimento populacional. Multiplica-se todos estes fatores para assim obter o valor de Rx no ano x.
2.4 Coeficiente de decaimento (k)
As duas metodologias selecionadas necessitam de um coeficiente de decaimento que depende de diversos fatores como disponibilidade de nutrientes, pH, umidade e
temperatura. A figura 01 apresenta os valores de acordo com a precipitação, fator que influencia a umidade, característica com maior peso na escolha do valor de k.
Figura 01 – Valores sugeridos para k
Fonte: WORD BANK (2003)
Para João Pessoa foi selecionado o valor de 0,06 para k, por apresenta precipitação anual maior que 1000 mm e considerar uma decomposição moderada dos resíduos dispostos no aterro.
2.5 Potencial de geração de biogás
O potencial de geração de metano a partir do resíduo (L0) pode ser obtido pela metodologia apresentada em INTERNACIONAL PAINEL ON CLIMATE CHANGE (1996), que segue a equação:
= (04) Onde:
L0: potencial de geração de metano proveniente da degradação do resíduo (kg de CH4/ kg de RSD), FCM: fator de correção de metano (%), COD: carbono orgânico degradável (kg de C/kg de RSD), CODf: fração de COD dissociada (%), F: fração de metano no biogás (%), (16/12): fator de conversão de carbono em metano (kg de CH4/ kg de C) (MENDES; SOBRINHO, 2007).
Considera-se FMC = 1,0 por ser aplicado em um aterro sanitário. O COD e o CODf são representados respectivamente pelas formulas:
= 0,014 ) + 0,28 (06)
COD: carbono orgânico degradável (kg de C/kg de RSD), A: fração de papel e papelão no resíduo, B: fração de resíduos originários de parques e jardins, C: fração de restos de alimentos no resíduo, D: fração de tecidos no resíduo, E: fração de madeira no resíduo, CODf = fração de COD dissociada (%), T: temperatura na zona anaeróbia (°C) (MENDES; SOBRINHO, 2007).
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 Aplicação das metodologias no aterro de João Pessoa – PB
Para atender melhor as formulas, foi definido que o aterro sanitário metropolitano de João Pessoa, funcionária por um período de 12 anos e que passaria mais 12 anos fechado apenas gerando biogás.
Tabela 01 – Valores de geração de metano por ano com aterro em funcionamento t
(ano) Método de Projeto (m³/ano)
Decaimento (m³/ano) 1 185219,9 60587,1 2 359654,5 117646,2 3 523931,8 171382,7 4 678643,4 221990,3 5 824346,1 269650,9 6 961564,6 314536,3 7 1090793,0 356808,1 8 1212496,4 396618,3 9 1327113,1 434110,5 10 1435055,7 469419,5 11 1536712,9 502672,4 12 1632450,6 533989,1 FONTE: AUTORES (2018)
Tabela 02 – Valores de geração de metano por ano com aterro fechado
t (ano) Método de Projeto (m³/ano) Decaimento (m³/ano)
13 1537393,6 502895,1 14 1447871,8 446033,5 15 1363562,8 395601,1 16 1284163,0 350871,1 17 1209386,7 311198,6 18 1138964,6 276011,8 19 1072643,2 244803,6 20 1010183,6 217124,0 21 951361,0 192574,1 22 895963,6 170800,0 23 843792,0 151487,9 24 794658,3 134359,4 FONTE: AUTORES (2018)
Gráfico 01 – Quantificação teórica da produção de metano no aterro sanitário de João Pessoa – PB
FONTE: AUTORES (2018)
Partindo do gráfico 01 é possível observar uma grande discrepância nos resultados obtidos mesmo que utilizando os mesmos dados para ambos os métodos. Isso ocorre devido ao método de decaimento de primeira ordem ser mais específico quanto à população atendida e o crescimento anual desta mesma população. O método de Projeto apenas
considera apenas a quantidade média de resíduos dispostos, isso traz menos sensibilidade para os resultados e aumenta a margem de erro de forma grosseira.
4. CONCLUSÃO
Para que a quantificação da produção de biogás em um aterro seja considerada mais exata, não se deve basear-se apenas em métodos empíricos para sua estimativa, é necessário um conjunto de fatores além da produção de gás metano. Estes valores não levam em consideração o gás perdido, nem os erros de gerenciamento que podem gerar uma superprodução de biogás devido ao excesso de resíduos.
A grande variação nos valores das metodologias mostra o quanto, prática e teoria devem ser usados de forma conjunta para que uma complemente a outra de forma que todas as falhas possam ser minimizadas.
Aconselha-se o uso de métodos práticos que deem mais detalhes sobre o biogás com o uso de aparelhos específicos e técnicas de análises laboratoriais.
Essas equações empíricas podem ser utilizadas para uma previsão da geração de metano ainda na etapa de projeção do aterro sanitário e devem ser utilizadas em conjunto com outros mecanismos de quantificação.
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CETESB/SMA – Companhia de Tecnologia e Saneamento Ambiental & SMA-SP –Secretaria do Meio Ambiente do Estado de São Paulo. Relatório técnico n.º 2 do convênio SMA/MCT n.º 01.0052.00/2001 – aterros. São Paulo, 2003, 349 p.
FIRMO, Alessandra Lee Barbosa. Estudo numérico e experimental da geração de biogás a partir da biodegradação de resíduos sólidos urbanos. 2013. 286 f. Tese (Doutorado) - Curso de Engenharia Civil, Universidade Federal de Pernambuco, Recife, 2013.
IPCC - International Panel on Climate Change. Guidelines for National .Greenhouse Inventories: Reference Manual (Vol.3), 1996.
MENDES, Luiz Gustavo Galhardo; SOBRINHO, Pedro Magalhães. Comparação entre métodos de estimativa de geração de biogás em aterro sanitário. Biociência, Guaratinguetá, v. 13, n. 34, p.134-142, jul. 2007.
OLIVEIRA, Laís Roberta Galdino de. ESTUDO DAS EMISSÕES DE BIOGÁS EM CAMADAS DE COBERTURAS DE ATERRO DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS. 2013. 106 f. Tese (Doutorado) - Curso de Engenharia Civil, Universidade Federal de Pernambuco, Recife, 2013.
REGATTIERI, Carlos Roberto. Quantificação da emissão de biogás em aterro sanitário - estudo de caso do aterro sanitário de São Carlos. 2009. 138 f. Tese (Doutorado) - Curso de Engenharia Mecânica, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2009.
SILVA, Gardênia Azevedo. Estimativa da geração de biogás no aterro sanitário metropolitano de joão pessoa através do teste BMP. 2012. 128 f. Tese (Doutorado) - Curso de Engenharia Urbana e Ambiental, Universidade Federal da Paraíba, João Pessoa, 2012. USEPA – United States Environmental Protection Agency. Energy Project Landfill Gas Utilization Software (E-PLUS) User´s Manual; EPA-30-B-97-006, 1997.v
WORLD BANK. Handbook for the preparation of landfill gas to energy projects in Latin America and Caribbean. 1818 H Street NW, Washington, DC 20433, USA: World Bank, 2003.125p.
