Pré-dimensionamento de um sistema para produção de Biogás a partir
dos Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) no município de Santo André
Heleno Quevedo de Lima
Universidade Federal do ABC – Programa de Pós-Graduação em Energia
Av. dos Estados, 5001 – Bloco B, 8º andar. Bairro Bangu. Santo André – SP. CEP: 09210-580 Telefone: (11) 4996-0085 E-mail: heleno.lima@ufabc.edu.br
Priscila Alves Carneiro
Universidade Federal do ABC – Programa de Pós-Graduação em Energia
Av. dos Estados, 5001 – Bloco B, 8º andar. Bairro Bangu. Santo André – SP. CEP: 09210-580 Telefone: (11) 4996-0085 E-mail: priscila.carneiro@ufabc.edu.br
Eduard Joseph Krummenauer
Universidade Estadual do Rio Grande do Sul - Acadêmico do Curso de Engenharia em Energia Rua Inconfidentes, 395. Bairro Primavera. Novo Hamburgo – RS. CEP: 93340-140
E-mail: eduard@ped-energia.com Giovani Garcia da Silva
Universidade Federal do Rio Grande do Sul – Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais (PPGEM). Av. Bento Gonçalves, 9500. Bairro Agronomia. Porto
Alegre – RS. CEP: 91501-970. Telefone: (51) 3308-9437 E-mail: giovani@ped-energia.com José de Souza
Universidade Federal do Rio Grande do Sul – Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais (PPGEM). Av. Bento Gonçalves, 9500. Bairro Agronomia. Porto
Alegre – RS. CEP: 91501-970 Telefone: (51) 3308-9437 E-mail: jose@ped-energia.com Resumo
Um dos grandes problemas da gestão de cidades está relacionado ao manejo e destinação adequada dos resíduos. Apesar de alguns aterros sanitários disporem de tecnologia e recursos suficientes para dar tratamento adequado aos resíduos, a grande maioria ainda enfrenta problemas relacionados à gestão dos resíduos, a limitação constante da disponibilidade de terra para disposição dos resíduos, a contaminação dos solos, dos recursos hídricos, da atmosfera, além da proliferação de patogênicos, entre outros vetores. A biodigestão anaeróbia do RSU é uma alternativa favorável a esta demanda ao converter a fração orgânica dos RSU em energia e fertilizante. A viabilidade técnica e econômica de uma instalação industrial de digestão anaeróbia dos RSU depende do volume de metano produzido e das características do efluente gerado nessa instalação. Este trabalho tem por objetivo dimensionar o volume de biogás produzido a partir da geração diária de resíduos orgânicos no município de São André, Estado de São Paulo.
Abstract
One of the problems of the management of cities is related to the management and proper disposal of waste. Despite some landfills have sufficient resources and technology to give appropriate waste treatment, the vast majority still faces problems related to waste management, the limitation constant availability of land for the disposal of waste, soil contamination, water, air, aside from the proliferation of pathogenic microbes, among other vectors. The anaerobic digestion RSU is an alternative in favour of this demand to convert the organic fraction of the RSU on energy and fertilizer. Technical and economic viability of an industrial plant of anaerobic digestion of the RSU depends on the amount of methane produced and characteristics of the effluent generated such an installation. This work aims to scale the amount of biogas from daily generation of organic waste in the municipality of Santo André, São Paulo State.
1. Introdução
Um dos grandes problemas da gestão de cidades está relacionado ao manejo e destinação adequada dos resíduos. Em 2008, cerca de 200 mil toneladas de resíduos sólidos urbanos (RSU) foram gerados no município de Santo André – SP, deste montante 56,25% correspondia à parcela de resíduos orgânicos (SEMASA, 2008).
A fração orgânica dos RSU é naturalmente degradada ao longo do tempo no aterro sanitário. O processo de decomposição da matéria orgânica produz vários gases, incluindo gases do efeito de estufa (FANTOZZIA & BURATTI, 2009). No entanto, políticas para remediar os problemas causados pelos gases do efeito estufa estão contribuindo para que os aterros invistam em sistemas de captação e queima destes gases.
Apesar de alguns aterros sanitários disporem de tecnologia e recursos suficientes para dar tratamento adequado aos resíduos, a grande maioria ainda enfrenta problemas relacionados à gestão dos resíduos, a limitação constante da disponibilidade de terra para disposição dos mesmos, a contaminação dos solos, dos recursos hídricos, da atmosfera, além da proliferação de patogênicos, entre outros vetores (ZHU et. al., 2009).
Para aumentar o tempo de vida útil dos aterros sanitários é necessário reduzir o volume de RSU, o qual é um desafio à gestão pública. A biodigestão anaeróbia do RSU é uma alternativa favorável a esta demanda ao converter a fração orgânica dos RSU em energia e fertilizante
(CARNEIRO, 2009).
A viabilidade técnica e econômica de uma instalação industrial de digestão anaeróbia dos RSU depende do volume de metano produzido e das características do efluente (nutrientes e sais minerais) gerado nessa instalação (FANTOZZIA & BURATTI, 2009).
Esses parâmetros estão diretamente relacionados à composição bioquímica dos resíduos orgânicos e das variáveis de processo (sólidos totais, demanda químico e bioquímica de oxigênio, temperatura, tempo de retenção hidráulica, pH, etc.), entre tanto, tais dados não estão disponível na literatura para composição de um substrato tão heterogênico quanto o resíduo sólido urbano. Desta forma um projeto sem experimentação em escala laboratorial e escala piloto implica em um risco aos investimentos devido às incertezas na fase de projeto.
O metano gerado nos biodigestores é um combustível gasoso que pode substituir o consumo de combustíveis fósseis (gás natural, GNV, GLP), reduzindo a emissão de gases de efeito estufa. A principal vantagem em uma unidade industrial de biodigestão é a possibilidade de o processo produzir a energia necessária para sua operação além de fornecer energia à frota de caminhões usada na logística de coleta dos resíduos.
Reduzir o custo do tratamento dos resíduos e a possibilidade de geração de receita torna-se pontos chaves para viabilizar projetos de geração de energia. Nesse contexto, os biodigestores apresentam-se como opção interessante, no Brasil, devido aos aspectos de saneamento e energia ao estimular a reciclagem de nutrientes (OLIVEIRA, 2004).
Conforme os pontos apresentados, este estudo visa apresentar cenários relacionadas a pré-dimensionamentos de unidades industriais de biodigestão anaeróbia adequadas ao volume diário de resíduo orgânico produzido no município de Santo André – SP.
2. Objetivo
Este trabalho apresenta um estudo de caso para pré-dimensionamento de um sistema em escala industrial de biodigestão anaeróbia dos resíduos orgânicos do Município de Santo André – SP. O sistema tem por finalidade saneamento e geração de energia, sendo realizada uma análise do volume de biogás obtido de acordo com volume diário de resíduos orgânico e a simulação para dimensionamento de tanques baseadas em tempos de retenção hidráulica diferenciados, com ou sem diluição dessa matéria orgânica.
3. Metodologia 3.1. Área de estudo
O local de estudo para dimensionamento do sistema de biodigestão é o município de Santo André – SP, localizado na Região Metropolitana de São Paulo, mais especificamente no Grande ABC (Figura 1). O município ocupa uma área de 174,38 km² e cerca de 54% do seu território localiza-se em área de proteção de mananciais e o restante encontra-se densamente urbanizado apresentando uma população de 667.891 habitantes (IBGE, 2007).
Figura 1. Município de Santo André – SP Fonte: (SEMASA, 2008).
Os resíduos sólidos urbanos coletados no município são transportador e depositados no Aterro Público (Figura 2), administrado pela autarquia Serviço Municipal de Saneamento Ambiental de Santo André (SEMASA). O Complexo, além do aterro sanitário, possui uma unidade de tratamento de resíduos líquidos percolados (chorume), uma unidade de tratamento de resíduos infectantes e uma usina de triagem de recicláveis.
Figura 2. Aterro sanitário de Santo André – SP Fonte: (SEMASA, 2008)
O Aterro Sanitário Municipal de Santo André ocupa uma área de 218 m² e praticamente já atingiu sua capacidade máxima, a qual era prevista para 2010. Atualmente, o aterro recebe cerca de 650 toneladas de resíduos sólidos urbanos por dia (SEMASA, 2008).
Foi realizado um estudo mostrando a indisponibilidade de áreas para a implantação de um novo aterro sanitário dentro do município de Santo André, pelo fato de grande parcela do território andreense encontrar-se protegida pela Lei de Proteção aos Mananciais (Lei nº 1.172/76). O restante do território, que compreende a Área Urbanizada, encontra-se com ocupação urbana e industrial consolidada. Deste modo, a opção seria a ampliação do Aterro Santo André, considerando que são aterrados em média 17.000 t/mês (SEMASA, 2008).
A vida útil projetada para a Fase II é: Na Etapa 1: 4 anos e 11 meses, com capacidade volumétrica de cerca de 762.380,00 m³ de resíduos, considerando os recalques e adensamentos que ocorrerão ao longo do tempo; Na Etapa 2: 8 anos e 5 meses, com capacidade volumétrica de cerca de 1.133.670,00 m³ de resíduos, já considerando os recalques e adensamentos que ocorrerão ao longo do tempo.
Totalizam-se, portanto, uma vida útil de 13 anos e 4 meses para a disposição dos resíduos sólidos no aterro de Santo André caso aprovado o projeto de ampliação.
3.2. Análise gravimétrica dos RSU
De acordo com dados de relatório (SEMASA, 2008), no município de Santo André, são gerados cerca de 21,75 kg de resíduos por habitante, em um mês. Esses resíduos têm como destino o complexo do aterro municipal, que está em operação desde a década de 80.
Resíduo Sólido Urbano constitui-se de folhas secas, lixo orgânico doméstico (oriundos de podas de árvores e da coleta de lixo residencial), borra celulósica à base de papel e papelão (produzido pelo processo de limpeza de materiais recicláveis da Associação dos Recicladores) do município, entre outros resíduos apresentados na Figura 3, conforme análise gravimétrica no município de Santo André entre os anos 2006 e 2008.
Figura 3. Análise gravimétrica no município de Santo André (2006 e 2008). Fonte: (SEMASA, 2008)
Conforme análise gravimétrica pode-se notar que houve aumento da fração orgânica dos resíduos de 2006 e 2008, sendo respectivamente 49,90 % e 56,25 %.
3.3. Descrição do processo de biodigestão
Entre os diversos processos de conversão energética há os que ocorrem por intervenção de microrganismos que digerem a biomassa (resíduos orgânicos). A biodigestão anaeróbia é um processo biológico de conversão energética e caracteriza-se por ocorrer em ambientes sem oxigênio, proporcionando condições ideais para desenvolvimento das bactérias metanogênica. Durante a atividade metabólica dessas bactérias há produção de um combustível gasoso (biogás) cujo principal componente é o gás metano.
As equações 1 e 2 representam de forma simplificada a etapa da fotossíntese e o processo da metanogênese, respectivamente: 2 6 12 6 _ 2 2 6 6 6CO + H ORadiaçãoSolar→C H O + O (1) Energia g CO g CH aq O H C6 12 6( )Metanogênese→3 4( )+3 2( )+ (2)
O processo de conversão energética da biomassa pode ser viabilizado em uma usina de biodigestão anaeróbica, através de um reator biológico anaeróbio, o qual promove a rápida degradação do material orgânico (lixo orgânico, efluentes de abatedouros e resíduos vegetais), liberando uma mistura de gases (H2O, CO2, NH3, H2S e CH4) (COMASTRI FILHO, 1981;
BULLOCK, 2000).
O funcionamento desse sistema consiste em pré-fermentar o material orgânico através do processo de hidrólise em meio anaeróbio (fase mesofílica com temperaturas entre 20ºC e 35ºC), ficando retido por um período superior a 20 dias. Após este período, a mesma quantidade de material orgânico passará para um segundo tanque (condições termofílica, faixa de temperatura de aproximadamente 50ºC) favorecendo a produção de biogás (ZHU et. al., 2009).
Ao longo das duas etapas, o biogás produzido é coletado por tubulações apropriadas e bombeado para um sistema de filtragem (remoção dos gases não combustíveis) elevando assim o poder calorífico do combustível e maximizando a produção de energia elétrica através de grupos geradores. Esta configuração apresenta vantagens ao digerir os resíduos orgânicos como a taxa de degradação mais acelerada, maior rendimento na produção de biogás e eliminação dos agentes patogênicos (ZHU et. al., 2009).
No final desse processo a matéria biodegrada (biofertilizante) e estabilizada (livre de patogênicos), com qualidade mínima exigida pelo órgão ambiental, possui padrões ideais para uso como fertilizante (CASSINI, 2003).
4. Resultados e discussões
Para que avance o uso de sistemas biodigestivos são necessárias pesquisas sobre novas metodologias de caracterização dos resíduos orgânicos heterogênicos para produção de metano e fertilizante. O levantamento dos dados do potencial energético para uma nova base de informações de acordo com o perfil regional de geração de resíduo orgânico. Essas informações conduzem à concepção de projetos de sistemas biodigestivos eficientes adequados à disponibilidade regional e sazonal e customizados ao perfil médio de cada município.
4.1 Dimensionamento
O município de Santo André possui atualmente uma população estimada em 667891 habitantes que produzem 220518 toneladas/ano de resíduos sólidos urbanos (SNIS, 2009). Esta produção corresponde a 604,16 t/dia de resíduos com 56,25% correspondente à fração de resíduos orgânicos (densidade de aproximadamente 0,90 kg/litro), conforme apresentados na Tabela 1 (SEMASA, 2008).
Tabela 1. Geração diária de RSU
Tonelada/dia m³/dia
Volume de RSU 604,16 543,74
Fração orgânica (FO) 339,84 305,86
RSU – per capita (kg/hab.) 0,90 0,81
FO – per capita (kg/hab.) 0,59 0,53
Fonte: (SEMASA, 2008)
Uma tonelada de resíduo orgânico gera aproximadamente um volume de 100 Nm³ de biogás com 50% de metano (COMASTRI FILHO, 1981). Ao relacionar a geração diária de RSU com rendimento de biogás por volume de resíduos temos a produção total de metano para respectivos tempo de retenção hidráulica (TRH), conforme dados apresentados na Tabela 2.
Tabela 2. Quantidade total de resíduo para respectivos TRH e produção de CH4
Diluição
Tempo de retenção hidráulica
Massa (t) Volume (m³) Produção total de CH4 (m³) Estimativa de produção diária de CH4 (m³) Sem TRH 120 40.780,73 36.702,65 18.351,33 152,93 TRH 90 30.585,54 27.526,99 13.763,50 152,93 TRH 60 20.390,36 18.351,33 9.175,66 152,93 TRH 30 10.195,18 9.175,66 4.587,83 152,93 25% TRH 120 50.975,91 45.878,32 22.939,16 191,16 TRH 90 38.231,93 34.408,74 17.204,37 191,16 TRH 60 25.487,95 22.939,16 11.469,58 191,16 TRH 30 12.743,98 11.469,58 5.734,79 191,16
Fonte: Elaborado pelos autores
O volume produzido de biogás depende do tempo de retenção hidráulico (TRH), da diluição dos dejetos, do tipo de biodigestor, da temperatura de operação do biodigestor, do tipo de material a ser digerido, entre outros (FARRET, 1999). Outro fator que está diretamente ligado à produção de biogás é a densidade da matéria orgânica. Quanto maior a densidade maior será a concentração dos sólidos totais (ST) e sólidos voláteis (SV). Os sólidos voláteis (SV) são os responsáveis diretos pela produção de biogás, justamente por serem a parcela orgânica do resíduo (KUNZ & OLIVEIRA, 2006).
A maturação do biofertilizante está diretamente relacionada com o tempo de retenção hidráulico (TRH). Tendo por prioridade a produção de biofertilizante estabilizado pôde-se calcular o TRH para verificar se as condições de operação do biodigestor condiziam com esse objetivo. O TRH pôde ser obtido pela razão do volume do biodigestor pelo volume das cargas diárias de acordo com a Equação 3.
1000 × = C V TRH (3) Onde:
TRH – Tempo de retenção hidráulico do biodigestor (dias); V – Volume do biodigestor (m³);
C – Volume da carga diária (m³).
Com base nos volumes obtidos paras respectivos TRH foi determinada a quantidade de tanques de biodigestão e quantidade de esferas de armazenamento de gás de acordo com dimensões definidas na Tabela 3.
Tabela 3. Quantidade de tanques de biodigestão e esferas de armazenamento de gás Diluição Tempo de retenção hidráulica Tanque de biodigestão (8.000 m³) {Dimensões: h=6,4m e r=20m} Armazenamento de gás (3.200 m³) {Esfera de gás: r=2,9m} Sem TRH 120 4,6 5,3 TRH 90 3,4 5,3 TRH 60 2,3 5,3 TRH 30 1,1 5,3 25% TRH 120 5,7 6,6 TRH 90 4,3 6,6 TRH 60 2,9 6,6 TRH 30 1,4 6,6
4. Considerações Finais
Para um sistema de biodigestão que atenda a geração diária de matéria orgânica com um tempo de retenção hidráulico de 120 dias (ideal para estabilizar a matéria orgânica) e diluição de 25% são necessário aproximadamente 6 tanques de 8.000 m³ de capacidade. Este sistema poderia gerar 191,16 m³/dia de metano.
Vários estudos mostram que a digestão anaeróbia de resíduos orgânicos possui potencial para gerenciar os problemas dos RSU de forma econômica e ambientalmente favorável.
Os resultados apresentados podem ser utilizados na formulação de políticas públicas a fim de implementar a utilização de biodigestores, bem como desenvolver subsídios para programas de financiamento para o aproveitamento dos resíduos orgânicos com fins de produção de energia e fertilizante, tendo em vista a economia de custos gerada no processo, bem como as inequívocas vantagens ambientais.
No desenvolvimento desse trabalho constatou-se a necessidade de desenvolvimento de projetos pilotos de tratamento da fração orgânica com utilização de biodigestores, os quais permitem o desenvolvimento de técnicas adaptadas a realidade da região do ABC.
A implantação da tecnologia de biodigestão no município de Santo André apresentaria um elevado custo, mas que poderia obter retorno em curto espaço de tempo. O sistema torna-se auto-suficiente em energia e ambientalmente adequado para reduzir as emissões dos gases estufas. Este potencial é favorável para captar recursos relativos à redução das emissões dos gases de efeito estufa.
O presente trabalho demonstrou a problemática dos resíduos sólidos urbanos e a importância da pesquisa em novas técnicas de tratamento da fração orgânica para gestão de resíduos nas cidades. Como sugestão para futuros trabalhos há necessidade de pesquisas em projetos pilotos com o propósito de reduzir custos e tempo de desenvolvimento dos projetos em escala industrial.
Palavras-chave
Biodigestor, metano, aterro sanitário, resíduos sólidos urbanos
Referências
[1] BULLOCK, C. The Archaea – A Biochemical Perspective. Biochem. & Molec. Biol. Educ., 28, 186-191, 2000.
[2] CARNEIRO, P. A. Análise das tecnologias para gestão e reaproveitamento energético dos resíduos urbanos para reciclagem de plásticos. Orientador: Prof. Dr. Carlos Roberto Rocha. Itajubá: [s. n.], 2009. 112 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Energia)-Universidade Federal de Itajubá.)
[3] CASSINI, S. T. Digestão de Resíduos Sólidos Orgânicos e Aproveitamento do Biogás. Programa de Pesquisas em Saneamento Básico – PROSAB do Departamento de
Saneamento Ambiental UFES. 3ªed. Vitória-ES, 2003.
[4] COMASTRI FILHO, J. A. Biogás, independência energética do Pantanal Mato-grossense. Circular Técnica nº 9, EMBRAPA: Corumbá, 1981.
[5] FANTOZZIA, F.; BURATTI, C. Biogas production from different substrates in an experimental Continuously Stirred Tank Reactor anaerobic digester. Bioresource Technology. Volume 100, Issue 23, December 2009, Pages 5783-5789)
[6] FARRET, F. A. Aproveitamento de pequenas fontes de energia elétrica. Santa Maria: UFSM, 1999.
[7] KUNZ, A.; OLIVEIRA, P. A. V. Aproveitamento de dejetos de animais para geração de biogás. Revista Agrícola, Ano XV n.º 3, 2006.
[8] OLIVEIRA, P. A. V. de; OTSUBO, C. S. Sistema simples para produção de biogás com o uso de resíduos de suínos e aves. Gerenciamento Ambiental, v.4, n.19, p.12-15, 2002. [9] SEMASA – Serviço Municipal de Saneamento Ambiental de Santo André. Relatório
Caracterização Gravimétrica dos Resíduos Sólidos Urbanos Domiciliares do Município de Santo André. Santo André 2008.
[10] ZHU, B.; GIKAS, P.; ZHANG, R.; LORD, J.; JENKINS, B.; LI, X. Characteristics and biogas production potential of municipal solid wastes pretreated with a rotary drum reactor. Bioresource Technology, Volume 100, Issue 3, February 2009, Pages 1122-1129
