ANA LUIZA FERREIRA DA SILVA
POTENCIAL DE APROVEITAMENTO ENERGÉTICO DO
BIOGÁS PRODUZIDO NO ATERRO SANITÁRIO
METROPOLITANO DE NATAL
NATAL-RN
2019
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
Ana Luiza Ferreira da Silva
Potencial de aproveitamento energético do biogás produzido no Aterro Sanitário Metropolitano de Natal
Trabalho de Conclusão de Curso na modalidade Monografia, submetido ao Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como parte dos requisitos necessários para obtenção do Título de Bacharel em Engenharia Ambiental.
Orientador: Prof. Dr. Paulo Eduardo Vieira Cunha
Natal-RN 2019
Ana Luiza Ferreira da Silva
Potencial de aproveitamento energético do biogás produzido no Aterro Sanitário Metropolitano de Natal
Trabalho de conclusão de curso julgado para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Ambiental e aprovado pelo Orientador e pela Banca Examinadora.
Aprovado em: 20 de novembro de 2019 Banca examinadora:
___________________________________________________ Prof (a). Dr(a). Paulo Eduardo Vieira Cunha – Orientador
___________________________________________________ Me. Carlos Alberto Nascimento da Rocha Junior– Examinador interno
___________________________________________________ Eng (a). Joale de Carvalho Pereira – Examinador externo
RESUMO
Potencial de aproveitamento energético do biogás produzido no Aterro Sanitário Metropolitano de Natal
A intensificação do consumo tem aumentado a geração de resíduos sólidos e, embora a legislação brasileira tenha definido uma forma de disposição ambientalmente adequada dos mesmos no Plano Nacional de Resíduos Sólidos, uma das preocupações ambientais existentes quanto à essa disposição final se refere ao fato de que os aterros sanitários são fontes de emissão de gases de efeito estufa. Parte da composição gravimétrica do lixo brasileiro é composta por resíduos orgânicos que, ao serem decompostos anaerobicamente por bactérias, liberam o biogás, rico em metano, um dos maiores vilões do efeito estufa. No entanto, atualmente inúmeros trabalhos estão sendo desenvolvidos com intuito de proporcionar o aproveitamento energético desse gás. Nesse contexto e diante da necessidade de renovação da matriz energética do Brasil, o país é apontado como uma grande potência para geração de energia útil através do biogás. Sendo assim, baseando-se em dados relativos à quantidade de resíduos orgânicos dispostos no Aterro Sanitário Metropolitano de Natal e aplicando-os no software Biogás, geração e uso energético – Aterro 1.0 desenvolvido pela Companhia Ambiental do Estado de São Paulo (CETESB) com o objetivo de estimar a quantidade de gás metano produzida no referido aterro bem como a potência disponível, que apresentaram uma média de, aproximadamente, 23,5 milhões de m³/ano e 19,9 mil kW, respectivamente. Diante dos resultados obtidos, inferiu-se que a energia disponível na área de estudo entre os anos de 2020 e 2066 pode ser utilizada para abastecer, em média, uma população de cerca de 118 mil habitantes, podendo ser considerada uma boa fonte de energia alternativa.
ABSTRACT
Energy use potential of biogas produced in the Natal Metropolitan Sanitary Landfill
Intensification of consumption has increased solid waste generation and, although Brazilian legislation has defined a form of environmentally suitable disposal in the Plano Nacional de Resíduos Sólidos, one of the environmental concerns regarding this final disposal refers to the fact that landfills are sources of greenhouse gas emissions. Part of the gravimetric composition of Brazilian waste is organic waste that, when anaerobically decomposed by bacteria, releases methane-rich biogas, one of the biggest villains of the greenhouse effect. However, currently numerous works are being developed in order to provide the energy use of this gas. In this context and in view of the need to renew Brazil's energy matrix, the country is considered a great power for useful energy generation through biogas. Thus, based on data on the amount of organic waste disposed of in the Aterro Sanitário Metropolitano de Natal and applying them to the Biogas, generation and energy use - Aterro 1.0 software developed by the São Paulo State Environmental Company (CETESB) in order to estimate the amount of methane gas produced in the landfill and the
available power were estimated, which averaged approximately 23.5 million m³ / year and 19.9 thousand kW, respectively. From the results obtained, it was inferred that the energy available in this study area between 2020 and 2066 can be used to supply, on average, a population of about 118 thousand inhabitants, and can be considered a good energy alternative source. .
Silva, Ana Luiza Ferreira da.
Potencial de aproveitamento energético do biogás produzido no aterro sanitário metropolitano de Natal / Ana Luiza Ferreira da Silva. - 2019.
56f.: il.
Monografia (Graduação)-Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil, Natal, 2019.
Orientador: Dr. Paulo Eduardo Vieira Cunha.
1. Resíduos sólidos Monografia. 2. Estimativa de metano -Monografia. 3. Potência disponível - -Monografia. I. Cunha, Paulo Eduardo Vieira. II. Título.
RN/UF/BCZM CDU 628.4
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede
LISTA DE FIGURAS
Figura 01 Fluxograma da classificação dos resíduos sólidos 16 Figura 02 Gráfico da geração de resíduos sólidos urbanos no Brasil
nos anos de 2016 e 2017
17
Figura 03 Gráfico da coleta de resíduos sólidos urbanos no Brasil nos anos de 2016 e 2017
17
Figura 04 Esquema simplificado de um lixão 18
Figura 05 Esquema simplificado de um aterro controlado 18 Figura 06 Esquema simplificado de um aterro sanitário 19 Figura 07 Gráfico da disposição final de resíduos sólidos urbanos
no Brasil (t/d) nos anos de 2016 e 2017
20
Figura 08 Gráfico da disposição final de resíduos sólidos urbanos no Brasil (t/ano) nos anos de 2016 e 2017
20
Figura 09 Gráfico da geração de resíduos sólidos urbanos na região Nordeste em 2016 e 2017
21
Figura 10 Gráfico da coleta de resíduos sólidos urbanos na região Nordeste em 2016 e 2017
21
Figura 11 Gráfico da disposição final dos resíduos sólidos urbanos na região Nordeste em 2016 e 2017
21
Figura 12 Mapa da situação dos municípios do Rio Grande do Norte quanto ao Plano de Gestão Integrada dos Resíduos Sólidos
22
Figura 13 Mapa de consórcios de Resíduos Sólidos e Aterros Sanitários do Rio Grande do Norte
23
Figura 14 Mapa da destinação final dos RSU no estado do Rio Grande do Norte
Figura 15 Critérios técnicos para a construção de um aterro sanitário
25
Figura 16 Gráfico da distribuição da energia elétrica gerada nas usinas termoelétricas brasileiras que aproveitam o biogás
31
Figura 17 Imagem aérea do Aterro Sanitário Metropolitano de Natal 35 Figura 18 Gráfico da composição Gravimétrica do RSU do Aterro
Sanitário Metropolitano de Natal
36
Figura 19 Parte constituinte do sistema de drenagem de gases do Aterro Sanitário Metropolitano de Natal
37
Figura 20 Flare do Aterro Sanitário Metropolitano de Natal 38
Figura 21 DRAGER, aparelho detector de gases 38
Figura 22 Poço de coleta de gases 39
Figura 23 Biogás, geração e uso energético – Aterro 1.0 39 Figura 24 Gráfico da estimativa da vazão de metano 45 Figura 25 Gráfico da estimativa da potência disponível 47
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Constituintes típicos encontrados no biogás dos aterros (%)
29
Tabela 2 Histórico e estimativa futura de aterramento de resíduos no Aterro Sanitário Metropolitano de Natal
42
Tabela 3 Valores sugeridos para K 43
Tabela 4 Estimativa da energia disponível no Aterro Sanitário metropolitano de Natal entre os anos de 2020 e 2066
47
Tabela 5 Consumo per capita de Energia Elétrica no Rio Grande do Norte em 2016 e 2017
49
Tabela 6 Estimativa da população que poderia ser abastecida anualmente com a energia disponível no Aterro Sanitário Metropolitano de Natal entre 2020 e 2065.
49
Tabela 7 Média da estimativa da vazão de metano, da potência, da energia disponível no Aterro Sanitário Metropolitano de Natal entre os anos de 2004 e 2066
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO...11 2. OBJETIVOS ...14 2.1: Objetivo geral...14 2.2: Objetivos específicos...14 3. REVISÃO TEÓRICA ... 15 3.1: Resíduos Sólidos (RS)...15
3.2: Panorama da situação dos Resíduos Sólidos Urbanos no Brasil ...17
3.3: Panorama da situação dos Resíduos Sólidos Urbanos na região Nordeste...20
3.4: Panorama da situação dos Resíduos Sólidos Urbanos no Rio Grande do Norte...22
3.5: Aterro Sanitário...25
3.6: Biogás...29
4. METODOLOGIA ... 35
4.1: Caracterização da área de estudo...35
4.2: Caracterização dos RSU dispostos no Aterro Sanitário Metropolitano de Natal...36
4.3: Sistema de drenagem dos gases do Aterro Sanitário Metropolitano de Natal...37
4.4: Estimativa da Produção de metano...39
4.5: Histórico e estimativa futura de aterramento de resíduos no Aterro Sanitário Metropolitano de Natal...41
4.6: Constante de decaimento (K)...42
4.7: Potencial de geração de metano (L0) ...43
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 45
5.1: Estimativa da vazão de metano...45
5.2: Estimativa da potência disponível...46
6. CONCLUSÃO ... 52
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1. INTRODUÇÃO
O aumento da produção e do consumo tem intensificado a geração de resíduos sólidos. Além disso, o crescimento desordenado da zona urbana dificulta as ações de manejo e disposição final desses materiais. De acordo com um estudo feito pela World Wide Fund for Nature (2019), o Brasil é o quarto país que mais produz lixo no mundo, perdendo apenas para os Estados Unidos, a China e a Índia.
Dessa forma, no intuito de direcionar e regulamentar a gestão desses resíduos, foi criada a Lei 12.305/2010, que institui a Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS). A lei prevê, em seu artigo 3º, parágrafo VIII, a disposição final ambientalmente adequada, que compreende a distribuição ordenada de rejeitos em aterros, observando normas operacionais específicas de modo a evitar danos ou riscos à saúde pública e à segurança e a minimizar os impactos ambientais adversos.
Antes dessa lei entrar em vigor, segundo a Pesquisa Nacional de Saneamento Básico (PNSB), realizada em 2008 pelo IBGE, apenas cerca de 2500 municípios brasileiros destinavam seus resíduos para locais com formas mais apropriadas de tratamento, sendo que 22% deles eram qualificados como aterros controlados e 27% como aterros sanitários. Já em 2017, 7 anos após a criação dessa legislação específica, conforme os dados da Associação Brasileira de Empresas de Limpeza Pública e Resíduos Especiais (ABRELPE), 59,1% dos resíduos coletados tiveram uma disposição final em aterro sanitário. Entre esses municípios estão os da região metropolitana de Natal que dispõe seus resíduos no Aterro Sanitário Metropolitano de Natal.
No entanto, embora o aterro sanitário seja uma solução ambientalmente adequada, a disposição final nesses locais ainda gera consequências indesejadas. Uma delas é que, após os resíduos serem disposto no aterro, inicia-se o processo de decomposição biológica. No primeiro momento, ela é aeróbia e, após o consumo do oxigênio presente, esta decomposição continua a ocorrer de maneira anaeróbia e passa a liberar gases e líquidos poluentes para o meio ambiente (ELK,2007).
Segundo o Ministério do Meio Ambiente (MMA), o gás de aterro é composto por vários gases, alguns presentes em grandes quantidades como o metano e o dióxido de carbono e outros em quantidades traços. Os gases presentes nos aterros
12 de resíduos incluem o metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), amônia (NH3), hidrogênio (H2), gás sulfídrico (H2S), nitrogênio (N2) e oxigênio (O2). O metano e o dióxido de carbono são os principais gases provenientes da decomposição anaeróbia dos compostos biodegradáveis dos resíduos orgânicos.
Logo, uma das alternativas para atenuar a emissão desse gás para a atmosfera é usá-lo na geração de energia. Para o MMA, esse é o principal objetivo do aproveitamento energético do biogás produzido pela degradação dos resíduos, ou seja, convertê-lo em uma forma de energia útil, tais como eletricidade, vapor, combustível para caldeiras ou fogões, combustível veicular ou para abastecer gasodutos com gás de qualidade a fim de dinamizar a matriz energética brasileira, que é apoiada basicamente na geração hídrica e, na maioria das vezes, as hidrelétricas estão distantes dos consumidores. Por essa razão, os custos com a implementação das extensas redes de transmissão são bem elevados e as perdas de potência durante a transmissão são inevitáveis.
Por outro lado, a geração de energia elétrica por meio do biogás está, geralmente, próxima aos grandes centros urbanos, evitando-se parcialmente os investimentos em transmissão e perdas em transmissão caso essa mesma quantidade de energia fosse oriunda centros geradores mais afastados (PROGRAMA DAS NAÇÕES UNIDAS PARA O DESENVOLVIMENTO, 2010). Além disso, o aproveitamento do biogás para a produção de energia também pode gerar receita tanto com a venda da energia para a concessionário local quanto com a venda de créditos de carbono no mercado internacional.
Sendo assim, a utilização de fontes alternativas de energia, em particular o biogás, aparece como uma oportunidade para colaborar na oferta de energia do sistema interligado do Brasil, na forma de geração descentralizada e próxima aos pontos de consumo, por meio de equipamentos e combustível nacionais (exemplo resíduos de processo), vantagens estas que, aliadas aos benefícios ambientais amplamente conhecidos, fazem com que o biogás seja uma opção estratégica para o país, dependendo apenas de políticas adequadas para sua viabilização (MARÇON; ZUKOWSKI JR.; CAVALCANTE, 2004)
No entanto, para que a geração de energia elétrica a partir da conversão do biogás produzido em aterro sanitário se torne ainda mais atrativa e viável
13 economicamente, é necessário que aumente o número de projetos com uso de equipamentos similares, em especial, na região Nordeste. Pois, maiores escalas de produção para fornecedores chave, como no caso dos motogeradores, possibilitarão otimizações logísticas e/ou de custos de importação que melhorarão a viabilidade de novos entrantes.
Diante desse cenário, o desenvolvimento de projetos que visam produzir energia elétrica através do biogás de aterros sanitários tem recebido novos incentivos de políticas públicas, como é o caso dos projetos dos aterros como o Bandeirantes e o São João, no município de São Paulo.Pois, em meio a necessidade de dinamizar a matriz energética brasileira, a conversão do biogás em energia útil aparece como uma fonte energética renovável, que pode atenuar os impactos negativos gerados pela queima e pela liberação desses gases na atmosfera (MMA,2010).
Portanto, devido à preocupação com impactos gerados pela queima do biogás e com a necessidade pela busca de novas fontes energéticas, o presente trabalho visa estimar o potencial de geração de energia elétrica a partir do biogás coletado no Aterro Sanitário Metropolitano de Natal. Tendo em vista que esse é um tema em crescente discussão no Brasil, com aplicações já em funcionamento, e que vem recebendo apoio de órgãos públicos como o Ministério do Meio Ambiente para implementação de novos projetos, com o intuito de contribuir com o desenvolvimento de um horizonte sustentável.
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2. OBJETIVOS
2.1: Objetivo geral
Estimar, por meio do software Biogás, Geração e Uso Energético - Aterros versão 1.0, a capacidade de geração de energia através do biogás produzido no Aterro Sanitário Metropolitano de Natal.
2.2: Objetivos específicos
Estimar a potência disponível a partir da quantificação de metano produzido no aterro;
Discutir a viabilidade ambiental desse tipo de aproveitamento energético para a área de estudo.
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3. REVISÃO TEÓRICA 3.1: Resíduos Sólidos (RS)
Resíduos nos estados sólido e semi-sólido, que resultam de atividades de origem industrial, doméstica, hospitalar, comercial, agrícola, de serviços e de varrição. Ficam incluídos nesta definição os lodos provenientes de sistemas de tratamento de água, aqueles gerados em equipamentos e instalações de controle de poluição, bem como determinados líquidos cujas particularidades tornem inviável o seu lançamento na rede pública de esgotos ou corpos de água, ou exijam para isso soluções técnica e economicamente inviáveis em face à melhor tecnologia disponível (ABNT NBR 10004, 2004).
Os RS podem ser classificados quanto aos riscos potenciais de contaminação do meio ambiente e quanto a natureza ou origem. Esse processo de classificação, conforme BRANT (2015), determina a composição química de um resíduo e suas propriedades físicas, químicas e biológicas e deve ser realizado em função de uma necessidade específica, ou seja, deve seguir parâmetros definidos caso a caso.
De acordo com a NBR 10004, são classificados como (figura 1):
Resíduos classe I – Perigosos: aqueles que apresentam periculosidade, inflamabilidade, corrosividade, reatividade, toxidade ou patogenicidade;
Resíduos classe II – Não perigosos: esses estão subdivididos em não inertes (A) e inertes (B);
Resíduos classe II A – Não inertes: aqueles que não se enquadram nas classificações de resíduos classe I - Perigosos ou de resíduos classe II B - Inertes, nos termos da norma. Além disso, os resíduos dessa podem ter propriedades, tais como: biodegradabilidade, combustibilidade ou solubilidade em água.
Resíduos classe II B – inertes: quaisquer resíduos que, quando amostrados
de uma forma representativa e submetidos a um contato dinâmico e estático com água destilada ou desionizada, à temperatura ambiente, não tiverem nenhum de seus constituintes solubilizados a concentrações superiores aos padrões de potabilidade de água, excetuando-se aspecto, cor, turbidez, dureza e sabor.
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Figura 1 – Fluxograma da classificação dos resíduos sólidos
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3.2: Panorama da situação dos Resíduos Sólidos Urbanos no Brasil
De acordo com a Associação Brasileira de Empresas de Limpeza Pública e Resíduos Especiais (ABRELPE), em 2017, foram geradas 78, 4 milhões de toneladas de RSU no país. Comparado ao ano de 2016, houve um aumento de cerca de 1%. Quanto ao índice de coleta, registrou-se um índice de cobertura de 91,2%, o que representa 71,6 milhões de toneladas, conforme as figuras 2 e 3.
Figura 2 – Gráfico da geração de resíduos sólidos urbanos no Brasil nos anos de 2016 e 2017
Fonte: ABRELPE (2017)
Figura 3 – Coleta de resíduos sólidos urbanos no Brasil nos anos 2016 e 2017
Fonte: ABRELPE (2017)
Quanto à disposição final dos resíduos, no Brasil, predominam-se três formas: lixões, aterro controlado e aterro sanitário. Os lixões (FIGURA 4) são terrenos nos quais os resíduos são depositados sem que haja nenhum tipo de controle ambiental ou sanitário, podendo ocasionar, por exemplo, a contaminação do solo e a proliferação de microrganismos patogênicos (ECO CLEAN AMBIENTAL, 2018).
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Figura 4 – Esquema simplificado de um lixão
Fonte: Eco Clean Ambiental (2018)
Enquanto no aterro controlado (FIGURA 5) os resíduos recebem um recobrimento diário, embora não conte com impermeabilização do solo e nem sempre possui sistema de drenagem do chorume e de gases.
Figura 5 – Esquema simplificado de um aterro controlado
19 Por último, temos o aterro sanitário (FIGURA 6) que é uma obra de engenharia construída de modo a atender vários requisitos técnicos como: impermeabilização do solo, drenagem de gases, drenagem e tratamento do chorume, recobrimento diário, até o recobrimento dos resíduos compactados. Essas ações são indispensáveis para minimizar os danos ambientais e sociais.
Figura 6 – Esquema simplificado de um aterro sanitário
Fonte: Eco Clean Ambiental (2018)
De acordo com os dados da ABRELPE, apenas 42,3 milhões de toneladas de RSU ou 59,1% do coletado foi disposto de forma adequada em aterros sanitários. O restante, que corresponde a 40,9% dos resíduos coletados, foi despejado em locais inadequados por 3.352 municípios brasileiros, totalizando mais de 29 milhões de resíduos em lixões ou aterros controlados, conforme as figuras 7 e 8.
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Figura 7 – Gráfico da disposição final dos resíduos sólidos urbanos no Brasil (t/d) nos anos de 2016 e 2017
Fonte: ABRELPE (2017)
Figura 8 – Gráfico da disposição final dos resíduos sólidos no Brasil (t/ano) nos anos de 2016 e 2017
Fonte: ABRELPE (2017)
3.3: Panorama da Situação dos Resíduos Sólidos na região Nordeste
Segundo a ABRELPE (2017), os 1.794 municípios da região Nordeste geraram, em 2017, a quantidade de 55.492 toneladas por dia de RSU, das quais aproximadamente 79,1% foram coletadas. No entanto, 64,6% ou 28.351 toneladas diárias dos resíduos coletados foram encaminhados para lixões e aterros controlado, conforme as figuras 9, 10 e 11.
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Figura 9 – Gráfico da geração de resíduos sólidos na região Nordeste em 2016 e 2017
Fonte: ABRELPE (2017)
Figura 10 – Gráfico da coleta de Resíduos Sólidos na região Nordeste em 2016 e 2017
Fonte: ABRELPE (2017)
Figura 11 – Gráfico da disposição final dos resíduos sólidos na região Nordeste em 2016 e 2017
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3.4: Panorama da situação dos Resíduos Sólidos no Rio Grande do Norte Desde a implantação da Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS), criou-se uma necessidade de atualização do Plano Estadual de Regionalização e de Gestão Integrada de Resíduos Sólidos (FIGURA 12), que já existia desde 2009 com o apoio do Ministério do Meio Ambiente/ Secretaria de Recursos Hídricos e Ambiente Urbano (MMA/SRHA), através do Convênio nº 02/2008, mas reformulado em 2013, orientado pela Lei de Saneamento Básico (Lei 11.445/07), e cria Consórcios Públicos Intermunicipais para gestão integrada de resíduos sólidos (RODRIGUES, 2017).
Figura 12 – Mapa da situação dos municípios do Rio Grande do Norte quanto ao Plano de Gestão Integrada dos Resíduos Sólidos
Fonte: RODRIGUES (2017)
Com o intuito de obter uma maior abragência e qualidade no manejo dos resíduos sólidos do Rio Grande do Norte, a Secretaria do Meio Ambiente e dos Recursos Hídricos (SEMARH) vem fomentando a criação de consórcios públicos no Estado, tendo como base o Plano Estadual de Gestão Integrada de Resíduos Sólidos (PEGIRS), o qual ratificou a regionalização do estado em sete polos (FIGURA 13), são eles: Seridó, com 25 municípios; Alto Oeste com 44 municípios; Assú, com 24
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municípios; Metropolitano, com 08 municípios; Agreste, com 39 municípios; Mato Grande, com 26 municípios e Mossoró. Até 2017, a SEMARH já tinha dado apoio logístico para formação dos consórcios do Alto Oeste, Seridó e Vale do Assu e já atua no auxílio da formação do consórcio do Mato Grande (SEMARH, 2017).
Figura 13 – Mapa de consórcios de Resíduos Sólidos e Aterros Sanitários do Rio Grande do Norte
Fonte: RODRIGUES (2017)
De acordo com o Plano Estadual de Resíduos Sólidos (2002), a destinação no estado ocorre em aterros sanitários, considerados como a melhor solução técnica e ambiental, ou em vazadouros, muitas vezes em terreno aberto e sem qualquer manejo. Existem apenas dois aterros no estado, localizados em Mossoró e Ceará-Mirim que correspondem a menos de dois por cento das áreas de disposição dos municípios. O Aterro Sanitário Metropolitano de Ceará-Mirim recebe contribuições de 13 municípios potiguares, enquanto o aterro de Mossoró, doado pela Petrobras, só recebe contribuições do próprio município (FIGURA 14).
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Figura 14 – Mapa da destinação final dos RSU no estado do Rio Grande do Norte
Fonte: RODRIGUES (2017)
Logo, mesmo com o empenho da SEMARH em aumentar a eficiência do sistema de destinação dos RSU do estado, a maior parte desses resíduos ainda é destinada para os lixões, que são soluções ambientalmente inadequadas. De acordo com RODRIGUES (2017), esse cenário é delineado em função das limitações que os municípios brasileiros de pequeno e médio porte possuem para viabilizar a implantação e operação de aterros sanitários para destinação de seus resíduos sólidos. Neste contexto, a solução mais adequada é a instauração de consórcios intermunicipais, indicada na Política Nacional, proposta na Política Estadual e nos Planos Intermunicipais de Gestão Integrada destes municípios. Contudo, na prática, muitos têm sido os empecilhos para o estabelecimento destes consórcios, o que vem atrasando fortemente os avanços dos resultados esperados no planejamento estabelecido.
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3.5: Aterro sanitário
O aterro sanitário é uma obra de engenharia projetada sob critérios técnicos (FIGURA 15), cuja finalidade é garantir a disposição dos resíduos sólidos urbanos sem causar danos à saúde pública e ao meio ambiente (ELK, 2007).
Figura 15 – Critérios técnicos para a construção de um aterro sanitário
Fonte: Manual Gerenciamento Integrado de Resíduos Sólidos
De acordo com ELK (2007), o aterro é considerado uma das técnicas mais eficientes e seguras de destinação de resíduos sólidos, pois permite um controle
26 eficiente e seguro do processo e quase sempre apresenta a melhor relação custo-benefício. Pode receber e acomodar vários tipos de resíduos, em diferentes quantidades, e é adaptável a qualquer tipo de comunidade, independentemente do tamanho.
De modo geral, o objetivo principal do aterro sanitário é o de melhorar as condições sanitárias relacionadas aos descartes sólidos urbanos evitando os danos da sua degradação descontrolada. No entanto, esse tipo de disposição tem sido criticado pois não tem como finalidade o tratamento ou a reciclagem desses resíduos. Além disso, existe uma preocupação com a escassez de espaços úteis para a construção de um aterro que requer uma área considerável (MMA, 2010).
Com a finalidade de cumprir o seu papel sanitário e ambiental, o aterro deve operar de modo a fornecer proteção ao meio ambiente, evitando a contaminação das águas subterrâneas pelo chorume (líquido de elevado potencial poluidor, de cor escura e de odor desagradável, resultado da decomposição da matéria orgânica), evitando o acúmulo do biogás resultante da decomposição anaeróbia do lixo no interior do aterro. Para isso, a sua construção exige cuidados especiais e técnicas específicas a serem seguidas, desde a seleção e preparo da área até sua operação e monitoramento. Logo, a sua elaboração deve ser realizada com base nas diretrizes dadas pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT).
A seguir estão listadas algumas etapas indispensáveis na construção de um aterro sanitário (ELK, 2007):
Sistema de drenagem das águas superficiais:
Tem a função de evitar a entrada de água de escoamento superficial no aterro. Além de aumentar o volume de lixiviados, a infiltração das águas superficiais pode causar instabilidade na massa de resíduos pelas poro-pressões induzidas.
Sistema de impermeabilização de fundo e de laterais:
A impermeabilização da fundação e das laterais do aterro tem a função de proteger e impedir a percolação do chorume para o subsolo e aquíferos existentes. No Brasil, a exigência mínima para a contenção de lixiviados não-perigosos é de que as camadas de fundo e laterais consistam de uma camada simples, podendo ser de argila compactada de permeabilidade inferior a 10-7 cm/s ou geomembranas de polietileno de alta densidade (PEAD) com espessura mínima de 1mm.
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Sistema de drenagem dos lixiviados:
O lixiviado, também chamado de chorume ou percolado, é originado de várias fontes: da umidade natural dos resíduos que podem reter líquidos através da absorção capilar; de fontes externas, como água de chuvas, superficiais e de mananciais subterrâneos, de água de constituição da matéria orgânica e das bactérias que expelem enzimas que dissolvem a matéria orgânica para a formação de líquidos.
A composição, quantidade e produção dos lixiviados dependem de uma série de fatores, como condições climáticas, temperatura, umidade, pH, composição, densidade dos resíduos, forma de disposição e idade dos resíduos. Os lixiviados apresentam grande concentração de substâncias sólidas e alto teor de matéria orgânica. Esses líquidos, quando percolam através do substrato inferior do aterro sem que antes tenham passado por um processo de tratamento, contaminam os lençóis de água subterrâneos.
Por essa razão, um sistema eficiente de drenagem é importante para evitar a acumulação de lixiviados dentro do aterro. A drenagem dos lixiviados pode ser executada através de uma rede de drenos internos – geralmente constituídos de tubos perfurados preenchidos com brita, com conformação similar a uma “espinha de peixe” – que levam o chorume drenado para um sistema de tratamento. O material utilizado na construção do dreno deve ser resistente ao resíduo e ao chorume, e projetado de forma a não sofrer obstruções. A drenagem deve estar acima da camada impermeabilizante inferior.
Sistema de tratamento de lixiviados:
Os lixiviados são considerados um problema do ponto de vista do tratamento, uma vez que são altamente contaminantes e sua qualidade e quantidade se modificam, com o passar do tempo, em um mesmo aterro.
A legislação ambiental exige tratamento adequado para o lançamento dos lixiviados, e normalmente para atender os padrões estabelecidos é necessária uma combinação de diferentes métodos. Os mais usuais são: tratamentos biológicos aeróbios ou anaeróbios (lodos ativados, lagoas, filtros biológicos) e os tratamentos por processos físico-químicos (diluição, filtração, coagulação, floculação, precipitação, sedimentação, adsorção, troca iônica, oxidação química).
Os tratamentos biológicos e físico-químicos podem ser combinados. No caso de haver necessidade de melhoria na qualidade final do efluente, admite-se o uso de
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tecnologias mais sofisticadas para o polimento do efluente, como é o caso da nanofiltração. O chorume também pode ser recirculado para o interior da massa de resíduos (com o objetivo de manter o grau de umidade necessário ao processo de decomposição dos resíduos orgânicos), para molhar as vias internas ou, ainda, pode ser encaminhado para Estações de Tratamento de Esgoto (ETE) em condições especiais e desde que estas suportem a carga adicional representada pelo chorume sem prejudicar seu processo de tratamento.
Sistema de drenagem dos gases:
É feito através de uma rede de drenagem adequada, evitando que os gases escapem através dos meios porosos que constituem o subsolo e atinjam fossas, esgotos e até edificações. Os drenos são compostos, na maioria dos casos, por uma coluna de tubos perfurados de concreto armado envoltos por uma camada de brita ou rachão, que é fixada à coluna de tubos através de uma tela metálica.
Cobertura intermediária e final
O sistema de cobertura diário (intermediário e final) tem a função de eliminar a proliferação de vetores, diminuir a taxa de formação de lixiviados, reduzir a exalação de odores e impedir a saída descontrolada do biogás.
A cobertura diária é realizada ao final de cada jornada de trabalho; a cobertura intermediária é necessária naqueles locais onde a superfície de disposição ficará inativa por mais tempo, aguardando, por exemplo, a conclusão de um determinado patamar, para então dar início ao seguinte; e a cobertura final tem por objetivo evitar a infiltração de águas pluviais – o que resultaria em aumento do volume de lixiviado – e o vazamento dos gases gerados na degradação da matéria orgânica para a atmosfera.
A cobertura final pode ser de diferentes tipos: camada homogênea de argila, ou mistura de argila e material granulado, argila com diferentes geossintéticos, solos orgânicos, lamas e lodos de estação de tratamentos de água e esgotos, entre outros. No Brasil, a grande maioria dos aterros possui cobertura com camada homogênea de argila compactada.
Componentes complementares
Além desses dispositivos, os aterros sanitários devem conter outros componentes que são considerados básicos, como cerca para impedir a entrada de pessoas e animais, vias de acesso interno transitáveis, cinturão verde ao redor do
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aterro, guarita para o controle da entrada de veículos, sistema de controle da quantidade e do tipo de resíduo, escritório para o desenvolvimento de atividade administrativa, oficina de manutenção e guarda de equipamentos, sistema de comunicação interna e externa, iluminação para operação noturna, banheiros, refeitórios, identificação do local e acessos às frentes de aterramento.
3.6: Biogás
O biogás é um dos produtos da decomposição anaeróbia (ausência de oxigênio gasoso) da matéria orgânica, que se dá através da ação de determinadas espécies de bactérias. Seus principais componentes são o metano (CH4) e o gás carbônico (CO2). No entanto, a sua composição “exata” é difícil de ser definida, pois depende do tipo, da concentração e do tratamento anaeróbio que foi dado ao material orgânico.
A distribuição exata do percentual de gases varia conforme a idade do aterro. Os fatores que podem influenciar na produção de biogás são: composição dos resíduos dispostos, umidade, tamanho das partículas, temperatura, pH, idade dos resíduos, projeto e a vida útil do aterro(MMA,2010). No entanto, há uma grande preocupação em relação a grande concentração do metano, gás de efeito estufa, pois, de acordo com o Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovações e Comunicações (MCTIC), ele tem um potencial de aquecimento global 21 vezes maior que o dióxido de carbono.
Conforme CHERNICHARO (2007), o biogás é incolor, insolúvel e de baixa densidade, constituído principalmente por metano, gás carbônico e outros gases em menores concentrações. Ele é obtido através da digestão anaeróbia (sem a presença de oxigênio) da matéria orgânica (biomassa). Esta matéria orgânica pode ser de vários tipos, tais como: resíduos das explorações agropecuárias, da atividade industrial e de esgotamento sanitário
O biogás de aterros é composto de vários gases (TABELA 1), principalmente metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2), que, juntos, constituem aproximadamente 99% de seu total. Os outros componentes, como monóxido de carbono, hidrogênio, nitrogênio, ácido sulfídrico e amônia, estão presentes em pequenas quantidades. O biogás é gerado pela decomposição anaeróbia da fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos (ELK, 2007).
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Tabela 1 – Constituintes típicos encontrados no biogás dos aterros (%)
COMPONENTE PORCENTAGEM Metano 45 – 60 Dióxido de carbono 40 – 60 Nitrogênio 2 – 5 Oxigênio 0,1 - 1 Enxofre 0 – 1 Amônia 0,1 – 1 Hidrogênio 0 - 0,2 Monóxido de carbono 0 - 0,2
Gases em menor concentração 0,01 - 0,6
Fonte: modificado MMA (2007)
A captura desse gás nos aterros sanitários pode trazer grandes vantagens ambientais e econômicas, pois além de reduzir as emissões dos gases de efeito estufa à atmosfera, pode ser aproveitado para a geração de energia, principalmente por se tratar de um gás de grande poder calorífico.
De acordo com o MMA, o objetivo do aproveitamento energético do biogás produzido pela degradação dos resíduos é convertê-lo em uma forma de energia útil tais como: eletricidade, vapor, combustível para caldeiras ou fogões, combustível veicular ou para abastecer gasodutos com gás de qualidade.
No Brasil, conforme NASCIMENTO (2017), entre 2003 e 2016 foram registados oito projetos com o objetivo inicial de coletar o biogás e depois queimá-lo em flare, evitando assim a emissão de gás metano na atmosfera. Além disso, entre 2004 e 2015, foram implantadas nove usinas termelétricas que aproveitam o biogás dos aterros e geram cerca de 86,3 MW de energia elétrica. Essas se concentram, principalmente, na região sudeste do país. Em termos percentuais, 56,4% da energia produzida é proveniente de usinas localizadas no estado de São Paulo, conforme a figura 16.
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Figura 16 – Gráfico da distribuição da energia elétrica gerada nas usinas termoelétricas
brasileiras que aproveitam o biogás
Fonte: GIANSANTE (2017)
Dentre as principais usinas termoelétricas que estão em funcionamento no Brasil podemos citar:
Usina termoelétrica de biogás da Central de Tratamento de Resíduos Sólidos da BR-040, Belo Horizonte/MG: A usina funciona desde 2011, sob
responsabilidade do Consórcio Horizonte ASJA, utilizando quatro motores geradores (1,4 MW cada), totalizando a potência de 5,7 MW. Em 2015, teve um motor desativado, passando a produzir 4,3 MW de energia elétrica (UNFCCC, 2015). O custo de implantação foi de 15,5 milhões de reais (FEAM, 2014).
Usina termoelétrica do aterro sanitário de Uberlândia: A usina entrou em
funcionamento em 2012, sob responsabilidade da Energás Geração de Energia. Utiliza dois motores geradores, que produzem ambos 2,8 MW de energia elétrica, a qual é injetada na rede da Companhia Energética de Minas Gerais (CEMIG) (UNFCCC, 2015). O custo de implantação é estimado em 37,2 milhões de reais (FEAM, 2014). Ela explora o biogás produzido nos aterros de Uberlândia I e II. O primeiro foi desativado em 2010, armazenando 2,1 milhões de toneladas de RSU. Em 2010, a disposição dos resíduos foi transferida para o segundo, que tem capacidade para dispor 4,5 milhões de metros cúbicos de
32 RSU, em 18 anos (BRASIL, 2015). Dispõe diariamente 600 t/dia de RSU (FEAM, 2009).
Usina termelétrica ValorGás, Juiz de Fora (MG): A usina foi implantada em
2013, em parceria com a ENC Power, do Grupo ENC Energy (ANEEL, 2015). Utiliza um motor gerador, que produz 1,43 MW de energia. Há previsão de ampliação para 4,28 MW até 2022 (FEAM, 2014). Ela explora o biogás produzido no aterro sanitário da Central de Tratamento de Resíduos (CTR) da Zona da Mata, que funciona desde 2010, atendendo diariamente cerca de 851 mil habitantes.
Usina termelétrica Bandeirantes, São Paulo (SP): A usina funciona desde
2004, sob responsabilidade da Biogás Energia Ambiental. Foi a primeira termelétrica nacional produtora de energia elétrica a partir do biogás gerado por RSU, em escala comercial. Possui 24 grupos geradores Caterpillar de 925 kW cada, que proporcionam 22,2 MW de energia elétrica, a qual é injetada na rede da AES Eletropaulo, sendo utilizada nas agências do Itaú Unibanco. Para a sua implantação, foram investidos R$ 48 milhões (UNFCCC, 2015). Ela utiliza o biogás produzido no aterro sanitário Bandeirantes, que funcionou de 1979 a 2007, dispondo cerca de 7.500 t/dia de RSU e armazenou cerca de 35 milhões de toneladas de resíduos (Pedott & Aguiar, 2014).
Usina termelétrica a biogás do Aterro Sítio São João, São Paulo (SP): A
usina funciona desde 2008, sob responsabilidade da São João Energia Ambiental S.A. É operada por 14 motores geradores (1,6 MW cada), que produzem 22,4 MW de energia elétrica, a qual é enviada à rede da AES Eletropaulo (UNFCCC, 2015). Ela explora o biogás produzido no aterro sanitário Sítio São João, que funcionou de 1992 a 2007, recebendo em média 6.000 t/dia de RSU (SANTO, 2013).
Usina termelétrica de Guatapará, Guatapará (SP): A usina funciona desde
agosto de 2014, sob responsabilidade da Estre Energia Renovável (AGÊNCIA ENVOLVERDE, JORNALISMO E SUSTENTABILIDADE, 2014). Produz 4,2 MW de energia elétrica, que abastece a subestação de Pradópolis (SP), da Companhia Piratininga de Força e Luz (CPFL), com custo de implantação na
33 ordem de R$ 15 milhões (TURIONI, 2014). Utiliza o biogás gerado no aterro sanitário do Centro de Gerenciamento de Resíduos (CGR) Guatapará, que é operado desde 2008, em uma área de 968 mil metros quadrados. Atende diariamente cerca de 871 mil habitantes e foi projetado para armazenar 10,5 milhões de toneladas de RSU (BRASIL, 2015).
Usina Termoverde Salvador, Salvador (BA): A usina Termoverde Salvador,
operada pelo Grupo Solvi, foi a primeira a ser implantada na Região Nordeste, em janeiro de 2011. Possui potência instalada de 19,73 MW, que é proporcionada por 19 motores de 1,04 MW cada. A energia elétrica é enviada à rede elétrica da Companhia de Energia Elétrica da Bahia (COELBA) e explora o biogás gerado no aterro sanitário Metropolitano Centro, que funciona em uma área de 250 mil ha, e é licenciado para receber, exclusivamente, resíduo domiciliar.
Usina termelétrica Itajaí Biogás e Energia S.A., Canhanduba (SC): A usina
termelétrica é operada desde 2014 pela empresa Itajaí Biogás e Energia S.A. Produz 1 MW de energia elétrica, a qual é enviada às Centrais Elétricas de Santa Catarina (CELESC), com custo de implantação de R$ 7,5 milhões (FLORIPANEWS, 2014). Ela explora o biogás do aterro sanitário de Canhanduba, que funciona desde 2006, dispondo cerca de 300 t/dia de RSU, com previsão para ser encerrado em 2027 (AMFRI, 2014).
Usina termelétrica Biotérmica Recreio, Minas do Leão (RS): A usina
Biotérmica Recreio, operada pelo Grupo Solvi e Copelmi Mineração, foi inaugurada em 2015. Possui seis motores geradores com potência de 1,426 MW cada, que produz 8,5 MW de energia elétrica, a qual é encaminhada à Subestação Elevadora Areal, da Companhia Estadual de Distribuição de Energia Elétrica (CEEE-D). A implantação custou R$ 28.737.130 (BRASIL, 2014). Ela aproveita o biogás do aterro sanitário da Central de Resíduos do Recreio (CRR), que ocupa uma cava remanescente de mineração de carvão, com 73 hectares de área, 51 metros de profundidade e capacidade para dispor 23 milhões de toneladas de RSU, em 23 anos (CRVR, 2013). Em 2014, atendia cerca de 4,0 milhões de habitantes (34% da população gaúcha) de 140 municípios, totalizando o recebimento de 90 mil toneladas/mês de RSU.
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Usina termelétrica de Sabará, Belo Horizonte (MG): A usina tem a capacidade de gerar energia suficiente para abastecer uma cidade do porte de Diamantina a partir da decomposição dos resíduos sólidos do aterro sanitário de Sabará, localizado na região metropolitana de Belo Horizonte. O investimento total do projeto da empresa Asja, tanto para a fase de produção como para a operação da planta, supera 20 milhões de reais. A unidade tem potência instalada de 5,7 megawatts (MW) e foi planejada e construída pela empresa em parceria com a Macaúbas Meio Ambiente S.A do grupo Vital Engenharia Ambiental. A planta utiliza o biogás produzido pela fermentação anaeróbica dos resíduos no aterro sanitário como combustível para alimentar quatro motores capazes de gerar 46 mil MW de energia elétrica por ano. A estimativa da empresa é que, a cada ano, a unidade evitará a emissão de 380 mil toneladas de CO2, o que equivale à emissão de 180 mil automóveis no período (Portal Saneamento Básico, 2017).
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4. METODOLOGIA
4.1: Caracterização da área de estudo
A área de estudo do presente trabalho é o Aterro Sanitário Metropolitano de Natal (FIGURA 17), o qual se encontra localizado no município de Ceará Mirim/RN e teve suas atividades iniciadas em junho de 2004 sob concessão da empresa BRASECO S/A. Ele foi projetado para a disposição final de resíduos sólidos de Classe II, ou seja, não perigosos e tem a capacidade de disposição de 1.300 toneladas por dia de resíduos urbanos (Relatório da análise da Composição Gravimétrica dos RS do Aterro Sanitário Metropolitano de Natal, 2017).
Figura 17 – Imagem aérea do Aterro Sanitário Metropolitano de Natal
Fonte: SAUER (2019)
O aterro tem uma área de 90 ha e conta com 7 células dispostas horizontalmente que correspondem a, aproximadamente, 24 ha. As células possuem as seguintes dimensões: 125 metros de largura; 250 metros de comprimento; e altura variável de acordo com as células e com a quantidade de resíduos. As primeiras células preenchidas tinham entre 4 e 5 metros, mas, hoje, com o preenchimento da sétima célula, essa altura pode chegar à 10 metros (SAUER, 2019).
Em 2017, conforme o relatório da composição gravimétrica dos resíduos sólidos do aterro, verificava-se a entrada de uma média de 1.098 toneladas de resíduos por dia. Nesse mesmo ano, o aterro atingiu um acumulado de 4.219.401 toneladas de resíduos recebidos.
36 Atualmente, o aterro atende 14 municípios do estado: Natal, Parnamirim, Ielmo Marinho, Macaíba, São Gonçalo do Amarante, Extremoz, Rio do Fogo, Touros, Taipu, Bento Fernandes, Ceará Mirim, Maxaranguape, São Miguel do Gostoso e Pedro Velho. Até o final de sua vida útil (2035), estima-se que sejam acumuladas cerca de 12.562.122, 88 toneladas de resíduos urbanos dispostos em 9 células.
4.2: Caracterização dos RSU dispostos no Aterro Sanitário Metropolitano de Natal
De acordo com o relatório da análise da composição gravimétrica dos resíduos do Aterro Sanitário Metropolitano (2017), constatou-se que os componentes predominantes na composição são papel ou papelão, plástico, matéria orgânica e rejeitos. No entanto, a matéria orgânica é a que apresenta o maior percentual, aproximadamente 42% (FIGURA 18).
Figura 18 – Gráfico da composição Gravimétrica do RSU do Aterro Sanitário Metropolitano de Natal
Fonte: Relatório da análise da composição gravimétrica dos resíduos do Aterro Sanitário Metropolitano(2017)
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4.3: Sistema de drenagem dos gases do Aterro Sanitário Metropolitano de Natal
O sistema de drenagem dos gases (FIGURA 19) é feito através de uma rede de drenagem adequada, evitando que os gases escapem através dos meios porosos que constituem o subsolo e atingem fossas, esgotos e até edificações. Os drenos são compostos, na maioria dos casos, por uma coluna de tubos perfurados de concreto armado envoltos por uma camada de brita ou rachão, que é fixada à coluna de tubos através de uma tela metálica (ELK,2007).
Figura 19 – Parte constituinte do sistema de drenagem de gases do Aterro Sanitário Metropolitano de Natal
Fonte: SAUER (2019)
No Aterro Sanitário Metropolitano de Natal, o sistema conta com 125 drenos distribuídos nas 7 células e também nos espaços entre elas. Desses, 61 estão conectados ao flare (FIGURA 20), ou seja, o biogás captado é encaminhado para essa câmera onde é realizada a sua queima. Os demais drenos possuem queimados em sua extremidade vertical.
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Figura 20 - Flare do Aterro Sanitário Metropolitano de Natal
Fonte: SAUER (2019)
A escolha do dreno que vai para o flare é feita conforme a quantidade e qualidade do biogás captado. Para isso, existe um equipamento (FIGURA 21) que faz a detecção contínua e simultânea de até 5 gases.
Figura 21 – DRAGER, aparelho detector de gases
Fonte: SAUER (2019)
Um outro ponto é que a altura dos drenos (FIGURA 22) depende da altura das células, por isso, os drenos das primeiras células têm uma altura menor do que as das células mais recentes. Além disso, as últimas células têm uma capacidade de armazenamento dos resíduos maior que as outras, consequentemente, a quantidade de biogás produzido nelas é maior.
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Figura 22 –Poço de coleta de gases
Fonte: SAUER (2019)
4.4: Estimativa da Produção de metano
Para estimar a produção de biogás no aterro metropolitano foi utilizado o modelo da Companhia Ambiental do Estado de São Paulo (CETESB), o qual foi desenvolvido no âmbito do convênio com a Secretaria do Meio Ambiente do Estado de São Paulo (SMA/SP) e o com o Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT), o software Biogás, geração e uso energético (figura 23) com o objetivo de auxiliar a avaliação da viabilidade do uso energético do biogás gerado pela disposição de resíduos sólidos urbanos em aterro.
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Fonte: manual do Biogás – Aterro 1.0
O programa emprega um modelo matemático muito usado pela United States Environmental Protection Agency (USEPA) para estimar a geração de metano nos aterros nos Estados Unidos. De acordo com os autores do programa, a escolha deste se deveu à simplicidade para a aplicação e à desejada confiabilidade nos resultados, em consequência da sua relativa popularidade (MANUAL DO BIOGÁS - ATERRO 1.0). No modelo, a estimativa de geração de metano é feita para cada ano de deposição de resíduo no aterro, conforme as equações abaixo:
Equação 1 – Estimativa de vazão de metano no ano considerado (Qx)
Fonte: manual do Biogás – Aterro 1.0
Em que:
Qx: vazão de metano gerado no ano x pelo RSU depositado no ano T [m3CH
4/ano]; k: constante de decaimento [1/ano];
Rx: fluxo de resíduos no ano x [kgRSD];
L0: potencial de geração de metano [m3 biogás/kg RSD]; T: ano de deposição do resíduo no aterro [ano];
x: ano atual [ano];
RSD: resíduo sólido domiciliar.
Essa estimativa é feita ano a ano, obtendo-se assim a emissão de metano do aterro durante toda a sua vida útil e pelos anos seguintes após o seu fechamento. Para fazer esta estimativa o usuário deve ter os registros da operação do aterro
Em seguida, é empregada a equação da Potência Disponível (equação 3). Nessa etapa, a vazão estimada em cada ano é convertida em potência. Essa informação possibilita ao usuário ter uma ideia da ordem de grandeza dos equipamentos de geração de energia elétrica que podem ser empregados.
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Equação 3 – Potência disponível
Fonte: Manual do biogás – Aterro 1.0
Em que:
Px: Potência disponível a cada ano [kW];
Qx: Vazão de metano a cada ano [m3CH4/ano]; Pc(metano): Poder calorífico do metano [J/m3CH4]; Ec: Eficiência de coleta de gases [%];
31.536.000s = 1 ano [s/ano] k: k = 1.000 [adimensional];
Pc(metano) igual a 35,53.106 [J/m3CH4]; Ec: 50 % (sugerida pelo programa);
No software pode-se estimar os potenciais usos da energia do biogás como gás combustível, potência elétrica disponível e a geração de energia elétrica, conforme as características da área de estudo do usuário. Além disso, também é possível escolher a tecnologia de uso energético e dimensionar, de forma simplificada, um projeto de uso de biogás com a estimativa de possíveis custos e rendimentos. No entanto, nesse trabalho, iremos estimar apenas as vazões de metano e a potência disponível.
4.5: Histórico e estimativa futura de aterramento de resíduos no Aterro Sanitário Metropolitano de Natal
O Aterro Sanitário Metropolitano de Natal entrou em funcionamento desde 2004. Na tabela 2 estão descritos os valores totais dos resíduos recebidos pelo aterro. Salientando-se que, a partir do ano de 2019, os valores são estimativas disponibilizadas pela BRASECO.
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Tabela 2 – Histórico e estimativa futura de aterramento de resíduos no Aterro Sanitário Metropolitano de Natal
Fonte: SAUER (2019)
4.6: Constante de decaimento (K)
O valor de K define o intervalo de tempo de geração de metano a partir da deposição de resíduos (SANTOS, 2017).
O valor de K pode ser afetado por inúmeros fatores relativos à composição do resíduo, às condições climáticas do local onde o aterro está implantado, características inerentes ao aterro, práticas de disposição dos resíduos, dentre outros (IPCC, 2006).
De acordo com MENDES e SOBRINHO (2007), a constante de decaimento é função de fatores como disponibilidade de nutrientes, pH, temperatura e,
Resíduos Sólidos Urbanos Lodo de Estação de Tratamento de Esgoto Lixo Hospitalar Resíduos
Inertes Outros Total
1 2004 108.607,44 - 35,05 36,63 108.679,12 2 2005 271.954,64 - 193,68 304,37 102,69 272.555,38 3 2006 298.263,79 737,50 188,43 338,05 2.316,87 301.844,64 4 2007 304.764,71 2.240,63 199,72 151,92 2.669,86 310.026,84 5 2008 306.574,65 2.895,52 208,10 504,26 1.957,36 312.139,89 6 2009 327.286,68 2.716,14 214,94 357,74 1.270,74 331.846,24 7 2010 333.848,52 3.025,70 190,84 343,36 1.647,38 339.055,80 8 2011 353.591,43 2.734,96 136,46 381,88 3.305,34 360.150,07 9 2012 352.437,02 3.265,85 119,64 321,04 2.965,70 359.109,25 10 2013 358.130,00 2.477,80 18,26 129,32 4.001,62 364.757,00 11 2014 373.073,53 2.034,32 7,60 105,77 7.040,56 382.261,78 12 2015 378.678,63 3.077,34 6,90 213,85 4.757,82 386.734,54 13 2016 384.133,01 1.726,25 190,20 4.191,58 390.241,04 14 2017 393.844,43 1.907,88 153,00 2.854,29 398.759,60 15 2018 403.288,32 2.506,14 176,35 2.556,05 408.526,86 16 2019 406.020,55 2.267,12 206,10 3.709,83 412.203,60 17 2020 409.674,73 2.287,52 207,96 3.743,22 415.913,43 18 2021 413.361,81 2.308,11 209,83 3.776,91 419.656,66 19 2022 417.082,06 2.328,88 211,72 3.810,90 423.433,56 20 2023 420.835,80 2.349,84 213,62 3.845,20 427.244,47 21 2024 424.623,32 2.370,99 215,54 3.879,81 431.089,67 22 2025 428.444,93 2.392,33 217,48 3.914,73 434.969,47 23 2026 432.300,94 2.413,86 219,44 3.949,96 438.884,20 24 2027 436.191,64 2.435,59 221,42 3.985,51 442.834,16 25 2028 440.117,37 2.457,51 223,41 4.021,38 446.819,66 26 2029 444.078,43 2.479,63 225,42 4.057,57 450.841,04 27 2030 448.075,13 2.501,94 227,45 4.094,09 454.898,61 28 2031 452.107,81 2.524,46 229,50 4.130,93 458.992,70 29 2032 456.176,78 2.547,18 231,56 4.168,11 463.123,63 30 2033 460.282,37 2.570,10 233,65 4.205,63 467.291,75 31 2034 464.424,91 2.593,24 235,75 4.243,48 471.497,37 32 2035 468.604,73 2.616,57 237,87 4.281,67 475.740,85 12.562.122,88 Ano TOTAL
43 principalmente, umidade. Os valores sugeridos para K podem variar de 0,01 ano-¹ a 0,09ano-¹.
Embora exista diversos parâmetros que interferem no valor de K, a umidade é um dos mais relevantes e está diretamente associada aos índices de precipitação do local onde o aterro foi construído. Sendo assim, pode-se escolher um valor de K em função da precipitação, conforme a tabela 3:
Tabela 3 – Valores sugeridos para K
Precipitação anual (mm) Valores de K (1/ano)
Relativamente inerte Decomposição moderada Decomposição Alta 250 0,01 0,02 0,03 250 – 500 0,01 0,03 0,05 500 – 1000 0,02 0,05 0,08 1000 0,02 0,06 0,09
Fonte: adaptado de WORLD BANK (2003)
O Aterro Metropolitano de Natal está localizado no município de Ceará-mirim/RN que, conforme dados do Climate-date, tem uma precipitação média anual que corresponde a cerca de 1107 mm. Portanto, para a realização dos cálculos de estimativa, utilizamos o valor de 0,09 ano-¹.
4.7: Potencial de geração de metano (L0)
O potencial de geração de metano (L0) representa a produção total de metano (m³ de metano por tonelada de resíduo). O valor de L0 é dependente da composição do resíduo e, em particular, da fração de matéria orgânica presente (MENDES e SOBRINHO, 2007).
Ainda de acordo com MENDES e SOBRINHO (2007), o valor de L0 é estimado com base no conteúdo de carbono do resíduo, na fração de carbono biodegradável e em um fator de conversão estequiométrico. Valores típicos para esse parâmetro variam de 125 m³ de tonelada de CH4/tonelada de resíduo a 310 m³ de tonelada de CH4/tonelada de resíduo.
O software Biogás, geração e uso energético – Aterro 1.0 sugere valores para L0 levando em consideração a representatividade da matéria orgânica em relação ao histórico de disposição dos resíduos no aterro.
44 De acordo com a composição gravimétrica a parcela de matéria orgânica corresponde a aproximadamente 42% dos resíduos aterrados. Portanto, o valor de L0 escolhido foi 0,12 m³ CH4/kg.
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5. RESULTADOS E DISCUSSÕES 5.1: Estimativa da vazão de metano
Para calcular a produção de metano, utilizou-se – conforme relatado no capítulo anterior – o modelo da Companhia Ambiental do Estado de São Paulo (CETESB) sendo para tanto usados os volumes de resíduos aterrados, desde o ano de abertura até o final da licença de operação do aterro, que compreende ao período entre os anos de 2004 e 2035, fornecidos pela Braseco; o potencial de geração de metano (L0) igual a 0,12 m³ CH4/kg sugerido pelo software em razão do percentual de matéria orgânica presente nos resíduos aterrados; e a constante de decaimento (K) igual a 0,09 ano-¹, levando em consideração a precipitação anual do município de Ceará-mirim/RN, no qual está instalado o aterro.
A figura 24 apresenta a estimativa da produção de metano de 2004 a 2066. Utilizou-se esse intervalo de tempo, pois, após 2066, a produção de metano já é inexpressiva e, por isso, não seria viável para realizar o aproveitamento energético.
Figura 24 – Gráfico da estimativa de vazão de CH4 no Aterro Sanitário Metropolitano de Natal
Fonte: próprio autor
Conforme se observa na figura acima, nos primeiros anos de vida útil do aterro, ocorre o maior nível de geração de metano. Isso se deve ao fato de que desde a sua abertura, em 2004, a unidade tem recebido, a cada ano, uma maior quantidade de resíduos sólidos urbanos. Consequentemente, verifica-se que há uma maior produção
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 2004 2007 2010 2013 2016 2019 2022 2025 2028 2031 2034 2037 2040 2043 2046 2049 2052 2055 2058 2061 2064 V A ZÃ O D E C H 4 (( 1 0 ³ M³/ A N O ) ANO
VAZÃO DE CH
4(10³ m³/ano)
46 de gás metano, pois, quanto maior a quantidade de resíduos sólidos aterrados, mais eficiente e rápido é o processo de digestão anaeróbia. Entre 2004 e 2005, por exemplo, a quantidade de resíduos aterrados teve um aumento de mais de 100%, saindo de aproximadamente 108 mil toneladas para 272 mil toneladas. Nesses mesmos anos, a vazão de metano também dobrou.
Tendo em vista que a produção de biogás é diretamente proporcional a quantidade de resíduos aterrados, em 2035, temos o pico máximo de vazão de metano. Nesse ano, espera-se que o aterro receba a maior quantidade de resíduos sólidos desde a sua abertura, totalizando cerca de 469 mil toneladas, conforme estimativa disponibiliza pela Braseco.
Após 2035, a curva da vazão começa a decrescer. Isso justifica-se pelo fato de que, a partir de 2036, não haverá o aterramento de novas quantidades de resíduos na unidade, pois o aterro só tem licença para operar até 2035. Logo, a ocorrência do processo de digestão anaeróbia irá ser reduzida ao passar dos anos, pois, o percentual de matéria a ser degradado estará cada vez menor. Por conseguinte, haverá uma menor formação de gás metano. No entanto, é válido ressaltar, que a licença de funcionamento do aterro pode ser prolongada a depender dos trâmites processuais legais.
5.2: Estimativa da potência disponível
A potência disponível é avaliada utilizando como base a estimativa da vazão de metano, por isso que a curva do gráfico da potência tem uma simetria e proporcionalidade com a da vazão.
A figura 25 seguir apresenta a estimativa de potência disponível de 2004 a 2066.
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Figura 25 – Gráfico da estimativa da potência disponível Aterro Sanitário Metropolitano de Natal
Fonte: próprio autor
Observando a figura acima, constatou-se que a curva apresenta pico máximo em 2035, pois, nesse ano, a vazão de metano também é máxima. Posteriormente, ela decresce exponencialmente assim como a curva de vazão, tendo em vista que, a partir de 2036, o aterro já não receberá mais contribuições de resíduos sólidos, conforme já explicitado no item anterior.
Em 2035, a potência disponível no aterro é de aproximadamente 43 mil kW. Desse modo, calcula-se que, nesse ano, a energia disponível é cerca de 374 milhões de kWh. Na tabela 4, apresentamos os valores de energia elétrica, em kWh, que poderiam ser gerados anualmente entre os anos de 2020 e 2066.
Tabela 4 – Estimativa da energia disponível no Aterro Sanitário metropolitano de Natal entre os anos de 2020 e 2066
Ano Energia disponível (kWh)
2020 255.187.560 2021 266.268.960 2022 276.693.360 2023 286.522.080 2024 295.807.680 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 P O TÊ N C IA (K W ) ANO
48 2025 304.593.960 2026 312.942.240 2027 320.878.800 2028 328.447.440 2029 335.674.440 2030 342.603.600 2031 349.261.200 2032 355.664.760 2033 361.849.320 2034 367.832.400 2035 373.640.280 2036 341.482.320 2037 312.083.760 2038 285.225.600 2039 260.680.080 2040 238.245.720 2041 217.738.560 2042 198.992.160 2043 181.866.360 2044 166.212.240 2045 151.907.160 2046 138.837.240 2047 126.888.600 2048 115.964.880 2049 105.987.240 2050 96.859.320 2051 88.528.560 2052 80.907.360 2053 73.943.160 2054 67.574.640 2055 61.758.000 2056 56.449.440
49 2057 51.587.640 2058 47.146.320 2059 43.090.440 2060 39.384.960 2061 35.994.840 2062 32.893.800 2063 30.064.320 2064 27.471.360 2065 25.106.160 2066 22.951.200
Fonte: Próprio autor
De acordo com o Anuário Estatístico de Energia Elétrica, em 2017, no estado do Rio Grande do Norte, o consumo médio per capita de energia elétrica foi de 1.597 kWh/hab. Logo, a energia elétrica que pode ser gerada pelo aterro, em 2035, seria suficiente para abastecer uma população de, aproximadamente, 234 mil habitantes, conforme as tabelas 5 e 6.
Tabela 5 – Consumo per capita de Energia Elétrica no Rio Grande do Norte em 2016 e 2017
Ano População Consumo per capita (kWh/hab)
2016 3.491.000 1.601
2017 3.523.000 1.597
Fonte: adaptado de Anuário Estatístico de Energia Elétrica (2018)
Tabela 6 – Estimativa da população que poderia ser abastecida anualmente com a energia disponível no Aterro Sanitário Metropolitano de Natal entre 2020 e 2065.
Ano População (habitantes)
2020 159.792 2021 166.731 2022 173.258 2023 179.413 2024 185.227 2025 190.729 2026 195.956 2027 200.926 2028 205.665 2029 210.191
50 2030 214.529 2031 218.698 2032 222.708 2033 226.581 2034 230.327 2035 233.964 2036 213.827 2037 195.419 2038 178.601 2039 163.231 2040 149.183 2041 136.342 2042 124.604 2043 113.880 2044 104.078 2045 95.120 2046 86.936 2047 79.454 2048 72.614 2049 66.366 2050 60.651 2051 55.434 2052 50.662 2053 46.301 2054 42.313 2055 38.671 2056 35.347 2057 32.303 2058 29.522 2059 26.982 2060 24.662 2061 22.539
51 2062 20.597 2063 18.825 2064 17.202 2065 15.721 2066 14.371
Fonte: Próprio autor
Em síntese, para o modelo de geração de biogás da CETESB, o Aterro Sanitário Metropolitano de Natal poderia ser capaz de produzir, em média, cerca de 175 milhões de kWh/ano de energia elétrica até o ano de 2066, levando em consideração os resíduos sólidos aterrados desde a sua abertura, em 2004, até o fim da sua licença de operação, em 2035, conforme a tabela 7.
Tabela 7 - Média da estimativa da vazão de metano, da potência, da energia disponível no Aterro Sanitário Metropolitano de Natal entre os anos de 2004 e 2066.
Parâmetro Média
Vazão de metano 23.530.591 m³/ano
Potência disponível 19.883,05 kW/ano
Energia disponível 174.175.518 kWh/ano
Fonte: Próprio autor
Sendo assim, conforme a média da energia disponível da tabela acima, a energia produzida no aterro poderia abastecer uma população de aproximadamente 109 mil habitantes. Porém, essa é uma média feita em função dos valores obtidos desde a abertura do aterro. Para a projeção de uma futura implementação de um projeto de aproveitamento, devemos levar em consideração as quantidades geradas a partir do ano em que o sistema deve entrar em operação, já que a potência gerada nos anos anteriores não foi convertida em uma energia útil e, consequentemente, foi perdida.
Por fim, é importante ressaltar que, a quantidade de energia que poderá ser gerada depende de outros fatores como: perdas na coleta, rendimento do grupo gerador escolhido, perdas no transformador e rendimento máximo total do sistema. Para isso, faz-se necessário realizar um estudo que verifique tais aspectos detalhadamente.
