Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Escola Politécnica

Disciplina: PHD3521 – Projeto de Formatura II

RESÍDUOS ORGÂNICOS E A APLICAÇÃO DOMÉSTICA

DO BIOGÁS GERADO

Orientador: Prof. Dr. Ildo Luis Sauer

Coorientadora: Prof. Camila Agner D'Aquino

ALUNOS:

Guilherme Guanaes Sotello Perrucci

Guilherme Oliveira Rodrigues

Escola Politécnica da USP – 26 de julho de 2018

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

Escola Politécnica

Disciplina: PHD3521 – Projeto de Formatura II

RESÍDUOS ORGÂNICOS E A APLICAÇÃO DOMÉSTICA

DO BIOGÁS GERADO

Orientador: Prof. Dr. Ildo Luis Sauer

Coorientadora: Prof. Camila Agner D'Aquino

ALUNOS:

Guilherme Guanaes Sotello Perrucci

Guilherme Oliveira Rodrigues

Trabalho final a ser entregue na disciplina PHD3521 (Projeto

de Formatura II) como critério parcial para graduação no curso

de Engenharia Ambiental da Escola Politécnica da

Universidade de São Paulo.

Escola Politécnica da USP – 26 de julho de 2018

3

Catalogação-na-publicação

Perrucci, Guilherme

RESÍDUOS ORGÂNICOS E A APLICAÇÃO DOMÉSTICA DO BIOGÁS GERADO / G. Perrucci, G. Rodrigues -- São Paulo, 2018.

109 p.

Trabalho de Formatura - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia de Hidráulica e Ambiental.

1.Biodigestores 2.Aproveitamento energético em residências

I.Universidade de São Paulo. Escola Politécnica. Departamento de Engenharia de Hidráulica e Ambiental II.t. III.Rodrigues, Guilherme

4

AGRADECIMENTOS

Gostaríamos de agradecer ao nosso orientador Prof. Dr. Ildo Luis Sauer e à nossa

coorientadora Prof. Camila Agner D'Aquino pelo auxílio com o direcionamento de um tema

específico dentro das possibilidades de estudo que os biodigestores abrangem,

encaminhamento do trabalho, ressaltando temas importantes a serem cobertos, bem como

validação dos resultados que vinham sendo obtidos a partir de literaturas técnicas e estudos

publicados em artigos ao longo da execução do projeto.

Estendemos nossos agradecimentos ao Prof. Dr. Roque Passos Piveli que aceitou

participar da nossa banca examinadora, bem como ministrou disciplinas para o curso de

Engenharia Ambiental da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo ao longo da nossa

graduação.

5

6

RESUMO EXECUTIVO

O presente trabalho versa sobre a produção de biogás, e sua subsequente purificação,

para emprego de uma fonte renovável de energia em residências, visando avaliar o cenário com

menor custo de oportunidade para o consumidor final: produzir energia elétrica a partir do gás,

ou aproveitar o mesmo para substituir, parcial ou integralmente, o consumo de GLP/GN

empregado na cocção e aquecimento.

O biogás é formado a partir da fermentação de matéria orgânica em meio anaeróbico,

processo esse que ocorre normalmente no meio ambiente, tendo sua produção transcorrida em

quatro fases principais: hidrólise, acidogênese, acetogênese e metanogênese. Ainda pode-se

adicionar o processo de sulfetogênese que ocorre ao mesmo tempo que a acidogênese e

metanogênese. Após sua produção, o biogás é purificado para o aproveitamento energético em

uma residência, com o auxílio de lascas de madeira, recobertas por óxido de ferro, que garantam

concentrações dentro de uma faixa de valores prevista em norma.

Os reatores cobertos no levantamento bibliográfico e análise das soluções comerciais

abrangem, principalmente, os biodigestores de modelo canadense, chinês, indiano, UASB,

CSTR, Recolast Ambiental Biodigestor Tubular – 3000, e o HomeBiogas 2.0, sendo esse

último a principal fonte de análise por se tratar de uma solução adequada ao uso residencial em

meio urbano, segundo critérios de avaliação previstos em uma matriz de decisão. Os critérios

abrangem tópicos de caráter ambiental, econômico e técnico.

O reator empregado para a produção residencial de biogás é uma unidade pré-fabricada,

de dimensões reduzidas e baixo tempo de retenção hidráulico, que, aliado à possibilidade de

auto instalação por parte do consumidor final e preço acessível, confere praticidade de

instalação e horizonte de recuperação do investimento inicial atrativo. Aliado ao reator o uso

de um motor à combustão pode ser uma alternativa àquelas residências que ensejem por gerar

energia elétrica a partir do biogás produzido na unidade de anaerobiose a partir do substrato

que envolve resíduos orgânicos e esgoto doméstico.

No que tange a mensuração teórica da vazão de biogás diária, e sua parcela de interesse

econômico, o gás metano, alguns modelos matemáticos podem ser empregados, sendo os mais

relevantes o modelo de produção de metano através da demanda química de oxigênio, a análise

da concentração de sólidos voláteis, a análise da concentração de proteínas, gordura e

carboidratos digestíveis, e, por fim, o método de Buswell. Esses modelos podem superestimar

a produção de biogás caso haja fatores inibitórios no substrato que causem a diminuição da

atividade dos microrganismos anaeróbios, fatores esses que também serão explorados no

presente trabalho.

A solução ótima foi apresentada para uma residência urbana de 4 pessoas, utilizando o

reator HomeBiogas 2.0 que tem um potencial de geração de 0,64 m³/dia e 0,74 kWh/dia. Com

um investimento inicial de R$ 12.075,38 e payback de 9,78 anos para substituição de GN/GLP.

Palavras chave: biogás, gás metano, Recolast Ambiental Biodigestor Tubular – 3000,

HomeBiogas

7

Sumário

RESUMO EXECUTIVO ........................................................................................................... 6

1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 18

1.1. ESPECIFICAÇÃO DO PROBLEMA ...................................................................... 19

2. OBJETIVOS .................................................................................................................... 22

2.1. OBJETIVO GERAL ................................................................................................. 22

2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................................... 22

3. LEVANTAMENTO DE DADOS ................................................................................... 23

3.1. TRATAMENTO E DISPOSIÇÃO DE RESÍDUOS SÓLIDOS .............................. 23

3.1.1. Reciclagem ......................................................................................................... 23

3.1.2. Aterros Sanitários............................................................................................... 24

3.1.3. Compostagem .................................................................................................... 25

3.1.4. Aproveitamento Energético a partir de biogás................................................... 25

3.2. FUNDAMENTOS DA FERMENTAÇÃO ANAERÓBIA ...................................... 26

3.3. CARACTERIZAÇÃO DO BIOGÁS ........................................................................ 27

3.4. FATORES INIBITÓRIOS NO PROCESSO ANAERÓBIO ................................... 29

3.4.1. Condições Ambiente .......................................................................................... 29

3.4.2. Condições do Reator .......................................................................................... 30

3.4.3. Características do Resíduo ................................................................................. 30

3.4.4. Substâncias em Concentrações Potencialmente Inibitórias ............................... 32

3.5. PARÂMETROS OPERACIONAIS .......................................................................... 35

3.5.1. Carga Orgânica Volumétrica ............................................................................. 35

3.5.2. Tempo de retenção hidráulico (TRH) ................................................................ 36

3.5.3. Avaliação da Eficiência da Degradação do Substrato ....................................... 36

3.6. POTENCIAL DE GERAÇÃO DE BIOGÁS TEÓRICO ......................................... 37

3.6.1. Geração Teórica de Biogás por Demanda Química de Oxigênio ...................... 37

3.6.2. Geração Teórica de Biogás por Concentração de Sólidos Voláteis ................... 39

3.6.3. Geração Teórica de Biogás por Concentração de Proteínas, Gorduras e

Carboidratos Digestíveis .................................................................................................. 40

3.6.4. Teste Bioquímico de Metano ............................................................................. 41

3.6.5. Geração Teórica de Biogás pelo Método de Buswell ........................................ 43

3.7. TIPOS DE REATORES ............................................................................................ 44

3.7.1. Biodigestor Modelo Canadense ......................................................................... 45

8

3.7.1.1. Caixa de Passagem ..................................................................................... 47

3.7.1.2. Câmara de Fermentação ............................................................................. 47

3.7.1.3. Tubulações .................................................................................................. 49

3.7.1.4. Bombas Centrífugas ................................................................................... 49

3.7.1.5. Campânula em Manta ................................................................................. 49

3.7.1.6. Custos da Implantação do Biodigestor ....................................................... 49

3.7.2. Biodigestor Modelo Chinês ............................................................................... 50

3.7.3. Biodigestor Modelo Indiano .............................................................................. 52

3.7.4. Biodigestor Modelo CSTR ................................................................................ 54

3.7.5. Biodigestor Modelo UASB ................................................................................ 55

3.7.6. HomeBiogas ....................................................................................................... 58

3.7.7. Recolast Ambiental Biodigestor Tubular - 3000 ............................................... 59

3.7.8. Mailhem Ikos Environment Portable Biogas Plant ............................................ 60

3.7.9. EUCOlino .......................................................................................................... 62

3.8. PURIFICAÇÃO DO BIOGÁS.................................................................................. 63

3.8.1. Absorção com Líquidos ..................................................................................... 64

3.8.2. Lavador de Gases (Water Scrubbing) – Absorção Física ..................................... 64

3.8.3. Solução de Hidróxido de Sódio ............................................................................ 66

3.8.4. Sistema de Tratamento de Biogás com Solução de Ca (OH)2 .............................. 66

3.8.5. Remoção de H2S com Óxido de Ferro ............................................................... 68

3.9. GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA A PARTIR DA CONVERSÃO DO

BIOGÁS ............................................................................................................................... 68

3.9.1. Conversão Energética do Biogás ....................................................................... 68

3.9.1.1. Turbinas a Gás ............................................................................................ 69

3.9.1.2. Turbina à Vapor .......................................................................................... 71

3.9.1.3. Motor de Combustão Interna ...................................................................... 72

3.9.2. Capacidade de Geração de Energia Elétrica a Partir do Biogás ........................ 73

4. MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................................................ 74

4.1. DETERMINAÇÃO DOS MÉRITOS PARA OS CRITÉRIOS DE AVALIAÇÃO . 77

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ................................................................................... 79

5.1. CÁLCULO DA PRODUÇÃO DE LIXO ORGÂNICO E ESGOTO POR

HABITANTE NO BRASIL ................................................................................................. 79

5.2. DIMENSIONAMENTO PRELIMINAR DE UM REATOR GENÉRICO,

EMPREGANDO UM SUBSTRATO DE LIXO ORGÂNICO E ESGOTO DOMÉSTICO

81

9


EMPREGANDO UM SUBSTRATO APENAS DE LIXO ORGÂNICO .......................... 82

6. ALTERNATIVAS PARA SOLUÇÃO DO PROBLEMA .............................................. 84

7. ESCOLHA DA SOLUÇÃO ............................................................................................ 86

8. ESPECIFICAÇÃO DA SOLUÇÃO ................................................................................ 91

8.2. PRODUÇÃO DE BIOGÁS NO HOMEBIOGAS E POTENCIAL DE CONVERSÃO

EM ENERGIA ELÉTRICA ................................................................................................. 97

8.3. MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA ................................................................. 98

8.4. CUSTO DE OPORTUNIDADE COM O APROVEITAMENTO ENERGÉTICO DO

BIOGÁS ............................................................................................................................... 98

9. CONCLUSÃO ............................................................................................................... 102

10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS....................................................................... 104

10

Índice de Figuras

Figura 1-1 - Hierarquia da recuperação do alimento (1) .......................................................... 18

Figura 1-2 - Disposição final de RSU no Brasil por tipo de destinação (t/dia) (6) .................. 20

Figura 3-1 -Disposição final dos resíduos sólidos urbanos coletados no Brasil) (6) ............... 24

Figura 3-2 - Esquema da decomposição anaeróbia (16) .......................................................... 27

Figura 3-3 - Medição da pressão interna utilizando o manômetro (26) ................................... 42

Figura 3-4 - Coleta do biogás no reator anaeróbio com injeção no comatógrafo gasoso (26) 43

Figura 3-5 - Representação genérica de um biodigestor (29) .................................................. 44

Figura 3-6 - Representação gráfica do biodigestor modelo canadense (32) ............................ 46

Figura 3-7 - Esquema do feixe hídrico de um biodigestor (33) ............................................... 46

Figura 3-8 - Planta de topo da escavação e dimensionamento da manta (34) ......................... 48

Figura 3-9 - Vista frontal, em corte, do biodigestor modelo Chinês (35) ................................ 51

Figura 3-10 - Representação do funcionamento de um regulador de pressão (35) ................. 51

Figura 3-11 - Biodigestor contínuo modelo indiano (37) ........................................................ 52

Figura 3-12 - Biodigestor modelo indiano representação gráfica (38) .................................... 53

Figura 3-13 - Representação esquemática de um biodigestor CSTR (41) .............................. 55

Figura 3-14 - Representação do funcionamento de um reator UASB (44) .............................. 57

Figura 3-15 - Reator UASB da marca Rotosis (44) ................................................................. 57

Figura 3-16 - Visão geral do processo produtivo do HomeBiogas (45) .................................. 58

Figura 3-17 -Vista do HomeBiogas, com ênfase para o tubo de condução do biogás produzido,

bem como do tubo de PVC de destino do biofertilizante ........................................................ 58

Figura 3-18 - Imagem explicativa funcionamento HomeBiogas (47) ..................................... 59

Figura 3-19 - Imagem do Biodigestor Tubular 3000 da Recolast ........................................... 60

Figura 3-20 - Mailhem Ikos Environment Portable Biogas Plant (48) .................................... 61

Figura 3-21 - Representação gráfica das unidades do sistema de biodigestão e geração de

energia elétrica EUCOlino (49) ............................................................................................... 62

Figura 3-22 - Diagrama básico do funcionamento de sistemas Water Scrubbing (51) ........... 65

Figura 3-23 - Sistema experimental para tratamento de biogás em escala de bancada ........... 67

Figura 3-24 - Turbina a gás em corte (43) ............................................................................... 70

Figura 3-25 - Ciclo de Brayton para uma turbina a gás (43) ................................................... 71

Figura 3-26 - Esquema de uma turbina a vapor (53) ............................................................... 72

Figura 3-27 - Gerador elétrico com combustão interna (56) .................................................. 73

Figura 4-1- Critérios de avaliação das alternativas para a solução do problema ..................... 75

Figura 8-1 - Capa do modelo teórico de previsão da produção de biogás ............................... 91

Figura 8-2 - Entradas promovidas pelo usuário no momento de uma nova consulta .............. 91

Figura 8-3 - Entradas preenchidas pelo usuário ....................................................................... 92

Figura 8-4 - Resultados da nova consulta preenchida pelo usuário ......................................... 92

Figura 8-5 - Código em VBA para execução do modelo - parte 1 .......................................... 93





11

12

Índice de Equações

Equação 3-1 - Idade do lodo (𝜃𝑐) (21) ..................................................................................... 30

Equação 3-2 - Tempo de retenção hidráulico (𝜃ℎ) (21) .......................................................... 30

Equação 3-3 - Formulação estequiométrica para inferir concentrações do gás final (21) ....... 31

Equação 3-4 - Parâmetro K, referente ao grau de toxicidade de metais pesados (21) ............. 33

Equação 3-5 - Carga orgânica volumétrica (COV) (14) .......................................................... 36

Equação 3-9 - Produtividade de gás metano (14) .................................................................... 37

Equação 3-10 - Rendimento de gás metano (14) ..................................................................... 37

Equação 3-11 - Taxa de degradação da biomassa (14) ............................................................ 37

Equação 3-12 - Geração teórica de gás metano pela demanda química de oxigênio (15)....... 38

Equação 3-13 - Produção volumétrica de metano (15) ............................................................ 38

Equação 3-14 - Fator de correção para a temperatura operacional do reator (15) ................... 38

Equação 3-15 - Produção volumétrica diária de gás metano (15) ........................................... 38

Equação 3-16 - Produção de metano (23) ................................................................................ 39

Equação 3-17 - Coeficiente cinético adimensional (23) .......................................................... 39

Equação 3-18 - Taxa de crescimento máximo específico (23) ................................................ 39

Equação 3-19 - Teor de massa orgânica sólida (14) ................................................................ 40

Equação 3-20 - Proteína digestível por massa seca (14).......................................................... 40

Equação 3-21 - Gordura digestível por massa seca (14).......................................................... 41

Equação 3-22 - Carboidratos digestíveis por massa seca (14) ................................................. 41

Equação 3-23 - Cálculo do volume de biogás gerado para o Teste Bioquímico de Metano (26)

.................................................................................................................................................. 43

Equação 3-24 - Volume de biogás acumulado CNTP para o Teste Bioquímico de Metano (26)

.................................................................................................................................................. 43

Equação 3-25 - Volume acumulado de biogás em NL/kgMS para o Teste Bioquímico de

Metano (26) .............................................................................................................................. 43

Equação 3-26 - Fórmula de Buswell (27) ................................................................................ 44

Equação 3-27 - Carga volumétrica (31) ................................................................................... 47

Equação 3-28 - Eficiência do reator tipo canadense (31) ........................................................ 47

Equação 3-29 – Dessulfurização do biogás ............................................................................. 68

Equação 3-30 - Potência disponível no gás biogás para geração de energia (13) ................... 73

Equação 3-31 - Cálculo da energia disponível no biogás em MWh/dia (43) .......................... 73

Equação 5-1 - Aproximação da quantidade produzida em média de lixo diariamente por uma

família residente em meio urbano (56) (57) ............................................................................ 80

Equação 5-2 - Produção de esgoto no Brasil ........................................................................... 81

Equação 5-3 - Produção de esgoto no Brasil em massa........................................................... 81

Equação 5-4 - Concentração de DQO afluente (62) ................................................................ 82

Equação 5-5 - Carga de sólidos totais adicionada diariamente ao biodigestor (9) .................. 83

Equação 5-6 - Massa total de alimentação diária do biodigestor (9) ....................................... 83

Equação 5-7 - Volume de água necessário para operação do reator (9) .................................. 83

Equação 8-1 - Cálculo da vazão afluente no reator de biodigestão ......................................... 97

Equação 8-2 - Geração de gás metano no HomeBiogas (15) .................................................. 97

Equação 8-3 - Fator de correção para a temperatura operacional no HomeBiogas (15) ......... 97

Equação 8-4 - Produção volumétrica de metano diário no HomeBiogas ................................ 97

13

Equação 8-5 - Vazão de biogás produzida diariamente no HomeBiogas (15) ........................ 97

Equação 8-6 - Potência disponível no biogás admitindo um reator genérico (13) .................. 97

Equação 8-7 - Energia disponível no biogás em um reator genérico (13) ............................... 98

Equação 8-8 - Consumo médio de uma família brasileira de eletricidade em um ano (66) (67)

.................................................................................................................................................. 99

Equação 8-9 - Produção de energia elétrica anual à partir da biomassa em um reator

HomeBiogas 2.0 (13) ............................................................................................................... 99

14

Índice de Tabelas

Tabela 1-1 - Os principais gases de efeito estufa e seus respectivos potenciais de aquecimento

global (2) .................................................................................................................................. 19

Tabela 3-1 -Composição média do biogás proveniente de diferentes resíduos orgânicos (17)

.................................................................................................................................................. 28

Tabela 3-2 - Equivalência energética entre 1m³ de biogás e outras fontes energéticas (17) ... 28

Tabela 3-3 - Efeitos estimulantes e inibitórios do Sódio, Cálcio e Magnésio na Digestão

Anaeróbia (21) ......................................................................................................................... 33

Tabela 3-4 - Elementos inibitórios e suas concentrações (14) (15) ......................................... 35

Tabela 3-5 - Teor de sólidos totais, sólidos voláteis e relação Carbono:Nitrogênio (C:N) de

resíduos orgânicos residenciais e comerciais (9) ..................................................................... 40

Tabela 3-6 - Produção de biogás específica e teor de metano dos respectivos extratos de

interesse (14) ............................................................................................................................ 41

Tabela 3-8 - Dimensionamento do biodigestor de acordo com o volume (34) ....................... 48

Tabela 3-9 - Área total e preço da manta de laminado de PVC flexível (31) ......................... 50

Tabela 3-10 - Biodigestores construídos em baixas profundidades (39) ................................. 53

Tabela 3-11 - Custo para construção de um reator modelo indiano (40)................................. 54

Tabela 3-14 - Especificações para o Biometano (50) .............................................................. 63

Tabela 3-15 - Características do lavador utilizado no experimento (51) ................................. 67

Tabela 3-16 - Condições experimentais para os ensaios com Ca(OH)2 (51) ........................... 67

Tabela 5-1 - Estimativa da composição gravimétrica dos resíduos sólidos urbanos coletados no

Brasil (56) ................................................................................................................................ 79

Tabela 5-2 - Informações gerais sobre o abastecimento de água, coleta de esgoto e tratamento

de esgoto no Brasil (60) ........................................................................................................... 80

Tabela 8-1 – Modais energéticos distribuídos por produção anual (66) .................................. 99

Tabela 8-2 - Fatores de conversão para energia, segundo as medidas utilizadas de energia

elétrica da ANEEL (67) ........................................................................................................... 99

Tabela 8-3 - Consumo de energia elétrica mensal e anual (68) ............................................. 100

Tabela 8-4 - Resumo do custo de oportunidade de emprego do biogás purificado para a

produção exclusiva de energia elétrica e substituição da demanda de GLP/GN ................... 101

15

LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS

ABRELPE Associação Brasileira de Empresas de Limpeza Pública e Resíduos Especiais ............ 19, 22

ANOVA Análise de Variância ............................................................................................................ 38

ANP Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis .......................................... 62

ATP Adenosina trifosfato ............................................................................................................. 30

B0 Taxa máxima de produção de metano ................................................................................. 38

BMELV Ministério da Nutrição, Agricultura e Defesa do Consumidor da Alemanha ...................... 33

CAPEX Capital expenditure ............................................................................................................ 100

CH4 Gás metano..................................................................................................................... 30, 42

CO2 Gás dióxido de carbono ....................................................................................................... 42

CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente .......................................................................... 27, 28

CST Carga de sólidos totais ......................................................................................................... 82

CSTR Continuous stirred-tank reactor .......................................................................... 53, 54, 87, 88

CV Carga volumétrica ................................................................................................................ 46

DQO Demanda química de oxigênio..................................................................... 36, 54, 55, 81, 87

E Eficiência do tratamento ...................................................................................................... 47

EPA United States Environmental Protection Agency ................................................................ 17

f (T) Fator de correção para a temperatura operacional ............................................................... 37

FNR Instituto Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. . 25, 28, 29, 30, 33, 35, 36, 38, 39, 40

GLP Gás liquefeito de petróleo ................................................................ 5, 19, 20, 27, 97, 99, 100

GN Gás natural ............................................................................................. 19, 20, 21, 62, 97, 99

GNV Gás natural veicular ............................................................................................................. 62

GWP Global Warming Potential ................................................................................................... 18

H2S

16

Sulfeto de hidrogênio ..................................................................................................... 27, 42

k Coeficiente cinético admensional ........................................................................................ 38

MDL Mecanismo de Desenvolvimento Limpo ............................................................................. 18

MOS Massa orgânica seca ....................................................................................................... 34, 39

Mt Massa total ........................................................................................................................... 82

n Rendimento .......................................................................................................................... 36

NADP Nicrotinamida adenina dinucleotídeo fosfato ...................................................................... 30

NH3 Amônia ................................................................................................................................. 42

Payback Horizonte de tempo para retorno do capital investido ....................................................... 100

PCI Poder calorífico inferior ....................................................................................................... 72

Pd Produção diária .................................................................................................................... 82

PNRS Política Nacional de Resíduos Sólidos ................................................................................ 22

PSA Pressure Swing Adsorption .................................................................................................. 63

S Concentração de DQO efluente ..................................................................................... 37, 47

S0 Concentração de DQO afluente ..................................................................................... 37, 47

SAS Statistical Analysis System .................................................................................................. 38

SO2 Dióxido de Enxofre .............................................................................................................. 27

STf Fração sólida no substrato final ........................................................................................... 82

SV Sólidos voláteis .................................................................................................................... 46

TRC Tempo de retenção celular ................................................................................................... 54

TRH Tempo de renteção hidráulica .................................................................................. 35, 38, 54

UASB Upward-flow anaerobic sludge blanket ................................................. 30, 54, 55, 56, 87, 88

Va Volume de água ................................................................................................................... 82

VUF Volume útil do frasco........................................................................................................... 42

Yobs Coeficiente de produção de sólidos no sistema ................................................................... 37

17

γv Produção de metano ............................................................................................................. 38

θc Tempo de residência celular ................................................................................................ 29

θh Tempo de retenção hidráulica .............................................................................................. 29

μm Taxa de crescimento máximo específico ............................................................................. 38

18

1. INTRODUÇÃO

O grande desenvolvimento conseguido pela humanidade, notoriamente no último

século, e a consequente necessidade de atender a demandas por água, alimentos e energia tem

exigido a mudança de mentalidade em prol do desenvolvimento sustentável, bem como o

manejo adequado dos resíduos gerados, visando a manutenção de recursos para atender às

demandas das gerações futuras.

A prática de alternativas de destino final dos resíduos, com o intuito de aumentar a vida

útil dos aterros sanitários, também observada em outros países, principalmente nos

desenvolvidos, levou a agência de Proteção Ambiental dos EUA – United States Environmental

Protection Agency (EPA) (2017) – a hierarquizar a destinação do resíduo orgânico (1), com

isso pode-se observar na Figura 1-1 - Hierarquia da recuperação do alimento que os impróprios

para alimentação humana e animal devem ser incorporados pela indústria para que sejam

aproveitados energeticamente. Dessa maneira, a biomassa pode ter seu potencial energético

explorado, em detrimento de produzir gases do efeito estufa durante sua decomposição, como

é o caso do gás metano, sendo apenas aconselhável o destino dos rejeitos orgânicos para aterros

sanitários quando seu potencial energético não puder ser explorado.

Figura 1-1 - Hierarquia da recuperação do alimento (1)

Os impactos ambientais devido às emissões de gás metano, em termos do potencial de

contribuição para o aquecimento global são cerca de vinte e uma vezes superior ao notado no

potencial do dióxido de carbono, como se observa na Tabela 1-1 - Os principais gases de efeito

estufa e seus respectivos potenciais de aquecimento global, de acordo com dados do Ministério

da Ciência, Tecnologia e Inovação em seu relatório de Estimativas Anuais de Emissões de

Gases do Efeito Estufa no Brasil (2014) (2):

19

Composto Fórmula Vida GWP1 (100

anos)

Contribuição

Dióxido de

Carbono

CO2 N.D. 1 55%

Metano CH4 12 21 15%

Óxido Nitroso N2O 120 310 6%

Ozônio O3 1 N.D. N.D.

CFCs N.D. N.D. N.D. N.D. Tabela 1-1 - Os principais gases de efeito estufa e seus respectivos potenciais de aquecimento global (2)

A recuperação do biogás para fins energéticos, segundo Teixeira (2010) (3), vem se

tornando alvo de crescente interesse, em virtude do rápido desenvolvimento econômico nos

últimos anos, que acarreta uma maior geração de resíduos que deverão passar por um correto

manejo, a ratificação do Protocolo de Kyoto, o advento do mercado de carbono regulado pelo

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL) e a elevação do preço dos combustíveis. Esses

fatores estão motivando investimentos em pesquisas que visam a redução do custo de

oportunidade do emprego de novas fontes alternativas de energia, que permitam a redução do

emprego de recursos naturais não-renováveis. Resíduos sólidos orgânicos se configuram nesse

contexto como uma fonte alternativa de energia, que visa reduzir o volume destinado a aterros

sanitários e incorretamente despejados em lixões à céu aberto que não atendem às condições

sanitárias necessárias.

Conforme definido pelo Ministério do Meio Ambiente na Lei 12.305 sobre Resíduos

Sólidos Urbanos (4):

“A Lei 12.305 em seu artigo 13, item I, subitem i, define Resíduos Sólidos Urbanos como: os

originários de atividades domésticas em residências urbanas (resíduos domiciliares) e os originários da varrição,

limpeza de logradouros e vias públicas e outros serviços de limpeza urbana (resíduos de limpeza urbana). A Lei

nº 11.445/2007 que estabelece diretrizes nacionais para o saneamento básico, em seu Art. 6º diz que o lixo

originário de atividades comerciais, industriais e de serviços cuja responsabilidade pelo manejo não seja

atribuída ao gerador pode, por decisão do poder público, ser considerado resíduo sólido urbano. ”

Nesse contexto, o presente trabalho focará no segmento de resíduos urbanos

domiciliares, descritos pelo Ministério do Meio Ambiente na Lei 12.305 sobre Resíduos

Sólidos Urbanos (4).

1.1. ESPECIFICAÇÃO DO PROBLEMA

De acordo com Elk (2007) (5), no Brasil os municípios falham com as suas atribuições

de coletar e dispor os seus resíduos urbanos de maneira apropriada, em virtude de falta de

recursos econômicos para desempenhar essas tarefas, deficiências administrativas e

1 Segundo o site Recigases (67): “GWP é a sigla referente ao termo em inglês ‘Global Warming Potential’, ou,

em português, potencial de aquecimento global, sendo essa a medida que mostra quanto uma determinada massa

de um gás de efeito de estufa é capaz de reter calor na atmosfera, em comparação a mesma massa de gás

equivalente de CO2. O valor do GWP é sempre calculado para um determinado período de tempo (como 20, 50

ou 100 anos) e considerando a capacidade de absorção de raios infravermelho. Como referência para o cálculo é

utilizado o CO2, sendo que o seu GWP foi estabelecido como padrão e é 1. Quanto mais alto o valor do GWP,

maior o impacto sobre o aquecimento global. ”

20

desinteresse das autoridades públicas quanto à importância da questão ambiental em suas

agendas políticas, o que acarreta em degradação do solo, contaminação dos rios e lençóis

freáticos, por ação do lixiviado, e poluição atmosférica, devido à liberação do biogás,

importante contribuinte antrópico para o processo de aquecimento global.

Os dados referentes à geração de Resíduos Sólidos Urbanos, segundo o “Panorama dos

Resíduos Sólidos no Brasil 2016” publicado pela Associação Brasileira de Empresas de

Limpeza Pública e Resíduos Especiais (ABRELPE) (6), revelam um total anual de produção

de aproximadamente 78,3 milhões de toneladas, sendo que dentro desse universo apenas 71,3

milhões de toneladas se configuram como montante coletado. A destinação final dos resíduos

sólidos urbanos, em ambientes com correta disposição, demonstrou retrocesso no ano,

passando a configurar apenas 58,4% do montante anual coletado. As unidades de manejo

inadequadas como lixões e aterros controlados estão presentes em todas regiões do país e

recebem mais de 81 mil toneladas de resíduos por dia, com potencial elevado de impactos

negativos ao meio ambiente e saúde de populações que ocupem regiões lindeiras. Abaixo

representações gráficas quanto à disposição final de resíduos sólidos urbanos no Brasil por tipo

de destinação em toneladas por dia, ressaltando a proporção significante de materiais de

descarte que ocupam áreas inadequadas do ponto de vista ambiental.

Figura 1-2 - Disposição final de RSU no Brasil por tipo de destinação (t/dia) (6)

Nesse contexto, segundo Oliveira (2015) (7), a biodigestão pode inibir o potencial

impacto poluidor do descarte inadequado de resíduos orgânicos, gerar energia a partir do biogás

de forma descentralizada e próxima aos pontos de consumo, podendo ser vendida às

concessionárias, e reduzir as emissões de metano para a atmosfera. Esse processo biológico de

degradação de rejeitos em um ambiente anaeróbio requer a cooperação entre diferentes culturas

microbianas, cujas espécies pertencem aos grupos de bactérias hidrolíticas, acetogênicas e

metanogênicas.

O desperdício de resíduos sólidos orgânicos em residências, provenientes do descarte

de restos alimentares, os quais poderiam ser empregados como uma forma alternativa de

obtenção de energia elétrica, ou substituição do GLP/GN utilizado para cocção ou

aquecimento, motivou o presente trabalho. Portanto este trabalho tem como produto final

21

embasar uma ferramenta de fácil emprego, que possa se confrontar, de forma intuitiva, com o

custo de oportunidade do aproveitamento do biogás, o modal de aproveitamento do gás de

acordo com o seu potencial de geração, podendo ser a substituição parcial ou integral do seu

consumo de energia elétrica, GLP/GN, bem como as tecnologias empregadas para tais

finalidades.

22

2. OBJETIVOS

2.1. OBJETIVO GERAL

O presente trabalho versa sobre a criação de uma ferramenta, baseada em plataforma

Microsoft Excel 2016 ®, para a realização de um cálculo teórico sobre o potencial de produção

residencial de biogás, inerente do processo de anaerobiose do substrato orgânico, como fonte

de energia alternativa à energia elétrica e ao GN/GLP, utilizado em processos de cocção e

aquecimento de chuveiros, por exemplo.

2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

O presente trabalho se predispõe a servir por embasamento teórico para a obtenção de

uma ferramenta automatizada capaz de inferir a capacidade de aproveitamento do biogás, após

processo adequado de purificação visando reduzir a concentração de sulfeto de hidrogênio, em

energia elétrica ou substituição do consumo de GN/GLP em uma residência urbana brasileira.

Para tanto alguns pontos devem ser explorados:

Escolha do modelo teórico de produção de gás metano, a partir do substrato

orgânico residenciais urbanos, que tenha por entradas valores acessíveis ao

consumidor final leigo no assunto

Levantamento dos modelos de mercado de reatores de anaerobiose e

aproveitamento do gás produzido para fins de produção de energia ou

substituição da demanda de GN/GLP, bem como o custo econômico envolvido

em sua implantação

Identificação da tecnologia adequada para produção de energia elétrica em

meios residenciais urbanos dentre as disponíveis no mercado que se adeque à

restrição de produção potencial de gás metano, contido no biogás oriundo de

processo de fermentação do substrato.

Constituição de uma matriz de decisão que avalie a viabilidade de implantação

de cada uma das alternativas abordadas.

Obter o consumo residencial de energia elétrica em meio urbano, buscando

inferir sobre o possível emprego da tecnologia para essa finalidade, tendo em

vista os custos envolvidos

Obter o consumo de GLP/GN em uma residência em meio urbano e buscar

inferir sobre a possibilidade de substituição da demanda pelo biogás purificado

23

3. LEVANTAMENTO DE DADOS

3.1. TRATAMENTO E DISPOSIÇÃO DE RESÍDUOS SÓLIDOS

Visando prevenir e controlar impactos significativos causados pela disposição irregular

do lixo, como a infiltração em lençóis freáticos de lixiviado, contaminação dos solos e

proliferação de vetores de doenças, segundo Tada et al. (2009) (8), diversas tecnologias de

tratamento de disposição final de resíduos são utilizadas, visando dar um correto manejo aos

rejeitos produzidos. A escolha de uma solução de manejo deve ser criteriosa e levar em conta

fatores como a segurança do processo, características do resíduo a ser tratado, mitigação de

impactos ambientais, criação de valor agregado, reutilização ou aproveitamento de

subprodutos.

A seguir serão discriminadas algumas das alternativas de destino dos resíduos sólidos

urbanos gerados no Brasil e criação de valor por meio desses rejeitos.

3.1.1. Reciclagem

A reciclagem, segundo Nazaro (2016) (9) trata-se de um processo de coleta e

subsequente processamento da parcela seca do resíduo, visando agregar-lhe valor econômico

para que seja comercializado como um produto final, ou como matéria-prima, retornando assim

à cadeia produtiva, reduzindo por suposto o impacto sob o meio ambiente oriundo de extrações

de insumos para a indústria. Dentre suas vantagens estão a redução de volume de rejeitos

destinados a aterros controlados e lixões, categorias inapropriadas de despejo de resíduos

sólidos, bem como a aterros sanitários, conservação dos recursos naturais e redução da emissão

de gases do efeito estufa provenientes da queima desses materiais com potencial de

reaproveitamento.

No Brasil 69,6% dos municípios apresentam iniciativa de coleta seletiva cobrindo, pelo

menos de modo parcial, o seu território, de acordo com a ABRELPE (2016) (6), entretanto

ainda há um grande potencial de resíduos a serem reciclados. Atualmente apenas 38,5% do

alumínio, 63,4% do papel e 51% do plástico tem seu valor econômico recuperado para retomar

seu papel na cadeia de produção da manufatura ou ser ofertado ao consumidor final, o que

ainda mostra-se pouco, considerando as metas da Política Nacional dos Resíduos Sólidos

(2010) (PNRS) (10).

A lei n° 12.305/2010 (10) torna compulsória a instituição por parte de sistemas de

logística reversa, criando um mecanismo de reponsabilidade compartilhada, na qual produtor,

distribuído, consumidor, e a sociedade de uma forma geral dividem o dever de garantir um

correto manejo a seus materiais de descarte. Setores com mecanismos de logística reversa

consistentes, como produtores de pneus, embalagens de agrotóxicos e embalagens de óleos

lubrificantes são exemplos de casos de sucesso para que sejam atingidas as metas de reciclagem

previstas na lei.

24

3.1.2. Aterros Sanitários

O aterramento dos resíduos sólidos coletados implica em um confinamento no solo em

local impermeabilizado e recoberto por solo pouco permeável e material sintético adequado,

visando impedir vazamentos e contato com a atmosfera, animais e vetores patogênicos. Essa é

a maneira de destinação dos resíduos sólidos mais difundida no país (ABRELPE (2016) (6)),

devendo receber apenas resíduos que possam ser degradados por processos físico-químicos em

um ambiente controlado e seguro ao meio ambiente e ao público.

Os aterros sanitários são formas de manejo adequadas aos resíduos sólidos urbanos,

entretanto aterros controlados e lixões ainda possuem uma parcela expressiva do total disposto

no país, conforme aborda a ABRELPE (2016) (6):

Figura 3-1 -Disposição final dos resíduos sólidos urbanos coletados no Brasil) (6)

Os lixões, segundo Brollo (2016) (11) em detrimento dos aterros sanitários, são

depósitos a céu aberto de resíduos domiciliares, industriais e hospitalares, os quais não

receberam preparação adequada do solo, no sentido de impermeabiliza-lo e garantir a

manutenção de sua fertilidade e qualidade das águas subterrâneas. Nesses ambientes não há

sistemas de recuperação de lixiviado, tampouco tratamento de gases do efeito estufa, os quais

escapam para a atmosfera. Vetores de doenças também se proliferam nesses ambientes.

Aterros controlados, por outro lado, segundo Santos (2011) (12) ocupam um meio do

caminho entre aterros sanitários e lixões, o qual se assemelha com os lixões, entretanto recebem

uma cobertura de terra e argila que confina os rejeitos depositados. Esse sistema minimiza o

mau odor, o impacto visual e a proliferação de vetores de doenças, entretanto não há

impermeabilização em sua base, possibilitando ainda o contato entre o lixiviado produzido,

solo, e águas subterrâneas, acarretando nos problemas expostos dos lixões, no que tange esses

dois recursos naturais.

Com isso, os aterros sanitários mostram-se a melhor opção para disposição final de

resíduos, entretanto possuem vida útil e limite de volume a ser ocupado, o que o faz necessitar

de alternativas para o emprego dos rejeitos produzidos. Como a reciclagem pode apenas ser

empregada para materiais com potencial de retorno à cadeia produtiva ou ter seu potencial

valor econômico agregado a compostagem e o aproveitamento do potencial energético em

25

biodigestores figuram como alternativas interessantes para amortizar a produção de lixo

destinado a aterros sanitários.

3.1.3. Compostagem

A compostagem, segundo Nazaro (2016) (9), é um método de degradação aeróbia que

converte parte da matéria orgânica seca, advinda de residências, indústrias e agropecuárias em

fertilizantes. Assim como ocorre na reciclagem, é reduzido o volume de material de despejo

destinado a aterros sanitários, empregando-lhes em uma atividade que gera valor econômico,

no caso a geração de adubo, melhorando assim as características nutritivas dos solos de destino.

Entre as vantagens de adoção de técnicas de compostagem para manejo dos resíduos

sólidos orgânicos estão a formação de húmus (adubo orgânico), redução de materiais

destinados a aterros sanitários, incremento na fertilidade de solos por meio de nutrientes

provindos da matéria orgânica, redução de ambientes propícios à reprodução de patógenos e

economia com o tratamento de efluentes nocivos ao meio.

3.1.4. Aproveitamento Energético a partir de biogás

A biodigestão, segundo Almeida (2016) (13), é o processo de decomposição da matéria

orgânica que ocorre na ausência de oxigênio, dando origem ao biogás, de interesse energético,

e um resíduo líquido rico em sais minerais, que pode ser empregado como biofertilizante na

agronomia. O biogás tem parcela significativa de metano e gás carbônico em sua composição,

ambos com ampla utilização na indústria. A combustão do metano, por exemplo, libera energia

térmica que pode ser convertida em outras formas de energia, o que classifica o biogás como

uma fonte de energia renovável.

Ainda segundo o autor, o uso do biogás como fonte de energia tem aumentado, em

virtude de uma preocupação crescente com a escassez de fontes não-renováveis e preocupações

com questões ambientais como o aquecimento global e o despejo adequado de crescentes

volumes de resíduos produzidos no meio urbano, o que gera interesse do mercado pelos

biodigestores, reatores que realizam a produção desse gás de interesse em unidades

denominadas fermentadores, em associação com outros equipamentos, como um gerador

elétrico, para o caso de geração de eletricidade.

As principais vantagens advindas da utilização de biorreatores, segundo Nazaro (2016)

(9) para o processamento da biomassa são o baixo consumo de energia necessário para operar

o processo, possibilidade de aproveitamento do gás metano como combustível, possibilidade

de aproveitamento dos efluentes como biofertilizantes, tratamento de resíduos, promovendo a

diminuição da carga orgânica, e a mitigação de emissões de gases do efeito estufa.

26

3.2. FUNDAMENTOS DA FERMENTAÇÃO ANAERÓBIA

De acordo com o Instituto Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) (2010)

(14) o biogás advém da fermentação de matéria orgânica em meio anaeróbio, sendo um

processo corriqueiro no meio ambiente, podendo ser percebido em fundos de lagos, pântanos,

esterqueiras e no material da digestão de animais ruminantes. O produto gasoso desse processo

é composto, majoritariamente, por metano e dióxido de carbono, além de pequenas quantidades

de gases traço, como sulfeto de hidrogênio, amônia e gás hidrogênio. A composição do produto

final do processo de fermentação anaeróbia é influenciada diretamente pelos substratos

empregados no processo, bem como pela técnica de fermentação.

A produção do biogás é composta pelas fases de hidrólise, acidogênese, acetogênese e

metanogênese. O processo se inicia com o estágio de hidrólise, no qual compostos orgânicos

complexos, como proteínas, carboidratos e lipídeos, são degradados em substâncias orgânicas

menos complexas, como açúcares, ácidos graxos e aminoácidos por meio de enzimas

excretadas por bactérias fermentativas hidrolíticas. Os compostos intermediários formados são

decompostos na fase subsequente, a acidogênese, sendo os produtos dependentes da

concentração de hidrogênio intermediário, formando-se majoritariamente ácidos graxos de

cadeia curta (ácidos acético, propiônico e butírico), além de dióxido de carbono, hidrogênio e

pequenas quantidades de ácido lático e álcoois. Os produtos da acidogênese são convertidos

por bactérias acetogênicas em compostos precursores do biogás, na fase de acetogênese, como

o ácido acético, hidrogênio e dióxido de carbono, sendo a pressão parcial do hidrogênio fator

determinante para o processo.

Ainda segundo o autor, uma concentração de hidrogênio em demasia desestimula a

conversão dos compostos intermediários da acidogênese, levando a um acúmulo de ácidos

orgânicos que inibem a metanogênese, como os ácidos isobutírico, propiônico, isovalérico e

capróico. Por essa razão as bactérias acetogênicas e as arqueas metanogênicas devem estar

estreitamente associadas. No estágio seguinte, a metanogênese, as arqueas metanogênicas

hidrogenotróficas produzem metano e dióxido de carbono, ao passo que as arqueas

metanogênicas acetoclásticas reduzem o ácido acético em metano. A formação de metano para

cargas orgânicas volumétricas relativamente baixas ocorre pela via bioquímica que reduz o

ácido acético, ao passo que, em usinas agrícolas, com cargas orgânicas mais elevadas, a

produção de gás metano ocorre pela utilização de hidrogênio. Para fins do trabalho, em virtude

da carga orgânica volumétrica menos expressiva, por tratarmos majoritariamente de reatores

residenciais, a rota bioquímica preferencial utilizada será a metanogênese do ácido acético por

arqueas hidrogenotróficas (segundo pressuposto pelo trabalho do Instituto Fachagentur

Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) (2010) (14)).

Segundo o autor Chernicharo (2007) (15), há ainda uma fase concomitante à

acidogênese e metanogênese: a sulfetogênese. O processo consiste na redução de sulfatos,

sulfitos e outros compostos sulfurados, por bactérias sulfuredutoras, produzindo sulfetos. Por

sua capacidade de utilizar o acetato e o hidrogênio, as bactérias redutoras de sulfato são agentes

competidores às arqueas metanogênicas e acidogênicas, com isso a concentração de sulfato no

meio mostra-se determinante para apontar qual será o processo predominante.

27

As cinco fases expostas ocorrem em um processo de um único estágio com demandas

distintas de pH, temperatura e habitat, porém, por ser a metanogênese o estágio mais sensível

a mudanças no meio, as condições da biocenose devem ser ajustadas a suas necessidades,

segundo Chernicharo (2007) (15). Ainda citando o mesmo, têm-se que tentativas de isolar a

hidrólise e a acidogênese da metanogênese, por meio de dois estágios, provaram-se menos

efetivas para a formação de biogás. Abaixo, a Figura 3-2 - Esquema da decomposição

anaeróbia, adaptada de Tunes (2017) (16), a qual resume os fundamentos da decomposição

anaeróbia.

Figura 3-2 - Esquema da decomposição anaeróbia (16)

3.3. CARACTERIZAÇÃO DO BIOGÁS

Os autores Salomon et al. (2007) (17) avaliaram o potencial energético de diferentes

resíduos orgânicos gerados no Brasil para inferir à respeito da composição do biogás advindo

do processo de digestão em meio anaeróbico e obtendo os seguintes resultados após

experimentações:

28

Gás Porcentagem (%)

Metano (CH4) 40-75

Dióxido de Carbono (CO2) 25-40

Nitrogênio (N) 0,5-2,5

Oxigênio (O) 0,1-1

Ácido sulfídrico (H2S) 0,1-0,5

Amoníaco (NH3) 0,1-0,5

Monóxido de Carbono (CO) 0-0,1

Hidrogênio (H) 1-3 Tabela 3-1 -Composição média do biogás proveniente de diferentes resíduos orgânicos (17)

Ainda segundo Salomon et al. (2007) (17) , o biogás representa de 2 a 4% do peso do

substrato empregado no processo com um poder calorífico variável de 22.500 a 25.00 kJ/m³,

ao passo que a parcela de gás metano isolada desse montante possui um poder calorífico de

35.800 kJ/m³; à título de comparação o poder calorífico superior do gás natural é de 35.000 a

42.000 kJ/m³, segundo a Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (18).

Abaixo uma tabela com a equivalência energética entre 1m³ de biogás e outras fontes

energéticas, segundo Salomon et al. (2007) (17):

Fonte Faixa

Gasolina (l) 0,61 – 0,70

Querosene (l) 0,58-0,62

Óleo Diesel (l) 0,55

GLP2 (kg) 0,40-1,43

Álcool (l) 0,80

Carvão mineral (kg) 0,74

Lenha (kg) 3,50

Eletricidade (kWh) 1,25-1,43 Tabela 3-2 - Equivalência energética entre 1m³ de biogás e outras fontes energéticas (17)

Ainda segundo os autores, o biogás possui alto potencial corrosivo, sendo essa

característica uma consequência da presença de elementos traço, como o sulfeto de hidrogênio,

exigindo cuidados especiais quanto aos equipamentos e encanamentos utilizados para escoar

essa produção. No Brasil a CONAMA, por meio da Resolução n°3 de 28 de junho de 1990

(19), determina o padrão primário de emissão de sulfetos de 365 mg/m³ 3 e o padrão secundário

de 100 mg/m³ em um período de 24 horas, sendo as substâncias compostas por enxofre e

consideradas como poluentes do ar os óxidos de enxofre (SO2), sulfeto de hidrogênio (H2S) e

2 GLP: Gás Liquefeito de Petróleo 3 O Ministério do Meio Ambiente define padrões de emissão primários e secundários como (65):

“São padrões primários de qualidade do ar as concentrações de poluentes que, ultrapassadas, poderão afetar a

saúde da população. Podem ser entendidos como níveis máximos toleráveis de concentração de poluentes

atmosféricos, constituindo-se em metas de curto e médio prazo.

São padrões secundários de qualidade do ar as concentrações de poluentes atmosféricos abaixo das quais se

prevê o mínimo efeito adverso sobre o bem-estar da população, assim como o mínimo dano à fauna e a flora,

aos materiais e ao meio ambiente em geral. Podem ser entendidos como níveis desejados de concentração de

poluentes, constituindo-se em meta de longo prazo. ”

29

sulfatos. A amônia, mesmo em baixas concentrações, também é corrosiva ao cobre, podendo

emitir como produto da combustão os óxidos de nitrogênio, que são nocivos à saúde. A

CONAMA prevê, por meio da Resolução n° 316, de 29 de outubro de 2002 (20) que o padrão

de emissão de óxidos de nitrogênio seja de 560 mg/Nm³.

3.4. FATORES INIBITÓRIOS NO PROCESSO ANAERÓBIO

3.4.1. Condições Ambiente

Conforme exposto pelo FNR (2010) (14) as condições do meio são distintas entre

digestão úmida e digestão seca no que tange o teor de umidade, a concentração de nutrientes e

o transporte de substâncias a serem empregados, entretanto, por ser a rota úmida o método

predominante, será tratada apenas essa via de digestão no presente trabalho. Para tanto, o autor

aborda especificações quanto à concentração de oxigênio, faixas ideais de temperatura e pH, e

presença de inibidores, questões as quais serão exploradas nos próximos parágrafos, segundo

seu trabalho.

No que diz respeito ao oxigênio, têm-se que as arqueas metanogênicas são seres

anaeróbios obrigatórios, o que os leva a necessitarem de um ambiente anóxico, sendo inviável

na prática, porém pode-se aproximar dessa condição expondo ao mesmo ambiente bactérias

aeróbias, fruto de etapas de biocenose antecedentes, as quais consomem o oxigênio presente

no biodigestor, e bactérias metanogênicas, com isso as bactérias aeróbias irão impedir que esse

fator afete as arqueas metanogênicas de forma significativa.

Quanto à temperatura, por sua vez, os microrganismos envolvidos na degradação se

dividem em psicrofílicos, mesofílicos e termofílicos. Os microrganismos psicrofílicos

apresentam temperatura adequada para o seu desenvolvimento abaixo de 25°C, dispensando o

aquecimento do substrato e do biodigestor, entretanto essa faixa de temperatura se caracteriza

pela lenta decomposição e reduzida produção de gás. A faixa mesofílica, por sua vez, na qual

contextualizam-se a maioria dos organismos metanogênicos, tem operação adequada de

temperatura entre 37 e 42°C, proporcionando rendimentos relativamente elevados de gás e boa

estabilidade ao processo. Nesse contexto, deve-se apontar que as arqueas metanogênicas

podem se adaptar a diferentes níveis de temperatura quando a variação se mostra paulatina. A

fermentação com microrganismos termofílicos, por sua vez, tem temperatura adequada de

cultura na faixa de 50 a 60°C, sendo uma faixa de operação adequada em processos que

requerem esterilização do substrato, bem como mais suscetível a distúrbios e a variações do

fluxo de alimentação de substrato ou do modo de operação do biodigestor. Por fim,

experimentações práticas mostram-se que essas faixas não são tão rígidas quanto os dados

teóricos possam apresentar, sendo mais decisivo à inoperância do processo bruscas variações

nos níveis de temperatura registrados.

No que diz respeito ao pH, as bactérias hidrolíticas e acidogênicas trabalham em uma

faixa ideal de 5,2 a 6,3, entretanto a adaptabilidade a valores próximos a essa faixa ocorre da

mesma forma que notado nas condições necessárias de temperatura. Por outro lado, as bactérias

acetogênicas e as arqueas metanogênicas dependem mais fortemente de uma faixa de pH entre

30

6,5 e 8, portanto um processo de fermentação realizado em apenas um biodigestor deve

respeitar essa restrição de pH. Em condições normais esse pH se neutraliza pelo efeito tampão

do carbonato e da amônia, garantindo que não haja variações bruscas de pH que poderiam

prejudicar bactérias metanogênicas.

3.4.2. Condições do Reator

O autor Souza (1984) (21) vai um pouco mais além na questão e traz alguns pontos

adicionais não cobertos pelo FNR (2010) (14) que mostram-se fatores importantes relativos às

características do digestor, sendo eles a idade do lodo e o grau de contato.

O lodo corresponde à parcela de sólidos em suspensão no substrato, sendo esse um

parâmetro importante para a análise da velocidade específica de reprodução dos

microrganismos, por ser, à grosso modo, o inverso da idade do lodo, o qual é definido pela

equação:

𝐼𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑜 𝑙𝑜𝑑𝑜 (𝜃𝑐) = 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑑𝑜 𝑛𝑜 𝑑𝑖𝑔𝑒𝑠𝑡𝑜𝑟

𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑡𝑎𝑑𝑎

𝑈𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜

Equação 3-1 - Idade do lodo (𝜃𝑐) (21)

Em um sistema submetido a um tempo de retenção hidráulico superior à idade de lodo,

ou seja, tempo de retenção superior à idade do lodo, ocorrerá a lavagem dos microrganismos e

a impossibilidade da biodigestão, por consequência. Abaixo a definição do tempo de retenção

hidráulico:

𝑇𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑛çã𝑜 ℎ𝑖𝑑𝑟á𝑢𝑙𝑖𝑐𝑎 (𝜃ℎ) = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑜 𝑏𝑖𝑜𝑑𝑖𝑔𝑒𝑠𝑡𝑜𝑟

𝑉𝑎𝑧ã𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠í𝑑𝑢𝑜

Equação 3-2 - Tempo de retenção hidráulico (𝜃ℎ) (21)

No que tange o grau de contato, ou grau de agitação, digestores convencionais devem

conter um sistema de agitação (o qual será abordado em tópico futuro), uma vez que na

ausência desse sistema haverá uma redução acentuada da velocidade do processo por uma

insuficiência no contato entre os microrganismos e a matéria orgânica. De acordo com o autor,

têm-se as seguintes possibilidades (21):

“[...] retorno de gás produzido, após compressão, por recirculação do lodo em digestão do fundo para o topo do

digestor, ou por agitação mecânica”.

Há indícios de que uma agitação excessiva possa favorecer as bactérias acidogênicas,

deslocando a digestão para a produção de ácidos graxos de cadeia curta, dióxido de carbono e

hidrogênio, segundo o autor (21).

3.4.3. Características do Resíduo

31

De acordo com o autor Souza (1984) (21), fatores relativos às características do resíduo

que podem vir a causar influência na produção final de biogás são o grau de biodegradabilidade,

diluição do material a ser digerido, estado da matéria orgânica, tamanho das partículas de

sólidos em suspensão e concentração de nutrientes, os quais são explorados abaixo segundo o

seu texto.

No que diz respeito ao grau de biodegradabilidade da matéria orgânica, têm-se que esse

se refere à máxima produção de gases a ser obtida a partir de um determinado resíduo, ou seja,

a maior remoção de DQO possível. A previsão teórica da concentração dos gases a serem

obtidos pode ser inferida a partir da seguinte equação estequiométrica:

CaHbOc+ x H20 → yCH4 + zCO2

Equação 3-3 - Formulação estequiométrica para inferir concentrações do gás final (21)

Desta equação pode-se depreender que 1g de DQO removida equivale à produção de

0,35 l de CH4, em condições normais de pressão e temperatura.

A diluição do material a ser digerido, por sua vez, é conveniente para alguns rejeitos,

tal qual o lixo urbano, antes de serem destinados aos biodigestores. É conveniente que a

diluição seja a mínima possível, pois, desta forma, para uma mesma carga orgânica aplicada

será necessária uma maior idade de lodo, como ocorre em biodigestores não convencionais,

por exemplo, os quais são o único tipo de reator que fornece um tratamento efetivo por digestão

anaeróbia a resíduos pouco concentrados. Para que o processo de digestão ocorra de forma

eficiente deve-se utilizar substratos com até 20% de sólidos totais em um processo classificado

como úmido.

O estado da matéria orgânica no substrato a ser degradado, por sua vez, define muitas

vezes, em uma primeira análise, o tipo de biodigestor a ser utilizado. Substratos caracterizados

por elevadas concentrações de sólidos em suspensão requerem digestores convencionais ou o

processo de contato, ao passo que resíduos contendo elevadas concentrações de materiais

dissolvidos são preferencialmente empregados em digestores de fluxo ascendente (UASB) ou

em filtros anaeróbios.

A dimensão das partículas sólidas em suspensão é um outro fator que possui sua

importância quanto à característica do resíduo para garantir o rendimento do processo de

geração de biogás. Nesse âmbito a eficiência do processo está atrelada ao menor tamanho

possível das partículas dos sólidos em suspensão garantem um maior contato entre a matéria

orgânica e os microrganismos responsáveis pelo processo de anaerobiose. Para diâmetros

acima de um centímetro recomenda-se a utilização de moedores, picadores ou liquidificadores,

visando aumentar a superfície específica desse particulado.

Quanto à disponibilidade de nutrientes o Instituto Fachagentur Nachwachsende

Rohstoffe e. V. (FNR) (2010) (14), expõe que, carbono (C), nitrogênio (N), fósforo (P) e

enxofre (S) mostram-se os macronutrientes mais importantes para a taxa de crescimento,

atividade populacional, formação de enzimas e transporte de energia, por meio do NADP

(nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato) e ATP (adenosina trifosfato), uma vez que a

32

concentração de metano a ser obtida a partir do substrato é fruto do seu teor de proteínas,

gorduras e carboidratos. Com isso, mostra-se importante a manutenção da correta relação

carbono-nitrogênio, uma vez que uma relação muito elevada pode reduzir a atividade

metabólica, levando à não degradação completa do carbono e consequente produção de metano

abaixo do seu potencial máximo, por outro lado a abundância de nitrogênio é capaz de formar

amônia em excesso, a qual reage com água formando amônio, elevando o valor do pH e

inibindo o crescimento de microrganismos. Por isso, para que o processo opere em

normalidade, a relação carbono-nitrogênio deve estar na faixa de 10 a 30. Em relação aos

micronutrientes, arqueas metanogênicas necessitam de cobalto, níquel, molibdênio e selênio,

sendo que algumas espécies em específico ainda requerem para o seu metabolismo tungstênio.

Além disso, ferro, magnésio e manganês são micronutrientes essenciais para o transporte de

elétrons e a atividade de determinadas enzimas. As concentrações de micronutrientes previstas

pelo autor (14) são: cobalto (0,003 a 10 mg/l), níquel, (0,005 a 15 mg/l), selênio (0,08 a 0,2

mg/l), molibdênio (0,005 a 0,2 mg/l), manganês (0,005 a 50 mg/l) e ferro (0,1 a 10 mg/l).

3.4.4. Substâncias em Concentrações Potencialmente Inibitórias

O autor Souza (1984) (21) ressaltou alguns compostos que podem impactar

negativamente o processo de geração de biogás, dentre eles os mais significativos para o

presente estudo são a avaliação de concentração de ácidos voláteis, metais alcalinos e alcalino-

terrosos, metais pesados, nitratos, nitrogênio amoniacal, sulfetos e outros compostos de enxofre

e surfactantes.

A toxicidade desses compostos está atrelada à sua concentração, conforme definição

aceita pela Secretaria da Saúde do Estado do Paraná (22):

“Capacidade inerente e potencial do agente tóxico de provocar efeitos nocivos em organismos vivos. O

efeito tóxico é geralmente proporcional à concentração do agente tóxico a nível do sítio de ação”.

Tendo em vista esse conceito, pode-se apontar, de acordo com Souza (1984) (21), que

concentrações de ácidos graxos voláteis inferiores à faixa de 6 mil a 8 mil mg/l não apresentam

toxicidade relevante que possa comprometer o processo de digestão anaeróbia, desde que o pH

do sistema seja mantido próximo à neutralidade. Esses podem ser acumulados no sistema por

aumentos súbitos na carga orgânica aplicada, aumentos repentinos na descarga do despejo,

diminuindo assim consideravelmente o tempo de retenção hidráulico do sistema, promovendo

a lavagem das arqueas metanogênicas, bem como mudanças súbitas de pH e temperatura.

Metais alcalinos, com destaque para o sódio, potássio, cálcio e magnésio apresentam

concentrações inibitórias descritas na tabela abaixo, com base no trabalho de Souza (1984)

(21), podendo estar presentes no resíduo, ou serem adicionados ao processo para correção do

pH.

33

Cátion Concentração (mg/l)

Estimulante Moderadamente

Inibitório

Fortemente

Inibitório

Sódio 100-200 3.500-5.500 8.000

Potássio 200-400 2.500-4.500 12.000

Cálcio 100-200 2.500-4.500 8.000

Magnésio 75-150 1.000-1.500 3.000 Tabela 3-3 - Efeitos estimulantes e inibitórios do Sódio, Cálcio e Magnésio na Digestão Anaeróbia (21)

Metais pesados apresentam toxicidade relevante ao sistema apenas quando

solubilizados em meio ao substrato na forma de sulfetos, carbonatos ou cloretos, e sua potencial

inibição no sistema é explorada na fórmula à seguir proposta pelo autor Mosey, F.E., em sua

obra “Assessment of the Maximum Concentration of Heavy Metal in Crude Sewage which will

not Inhilbit the Anaerobic Digestion of Sludge”, explorada no artigo pulicado por Souza (1984)

(21):

𝐾 =

𝑍𝑛32,7 +

𝑁𝑖29,4 +

𝑃𝑏103,6 +

𝐶𝑑56,2

+ 0,67 ×𝐶𝑢

31,8

𝑆𝑇

Equação 3-4 - Parâmetro K, referente ao grau de toxicidade de metais pesados (21)

A equação explora o grau de toxicidade provocado pelo conjunto de metais Zinco,

Cobre, Níquel, Chumbo, Cádmio e Cobre por meio do parâmetro K, o qual para valores abaixo

de 200 meq/kg apresentam uma inibição improvável no processo, para valores maiores ou

iguais a 400 meq/kg apresentam uma inibição provável, e para valões acima de 800 meq/kg

apresentam uma inibição quase certa.

Os valores 32,7, 29,4, 103,6, 56,2 e 31,8, por sua vez, se referem às massas equivalentes

dos respectivos metais no estado divalente, ao passo que o fator de correção 0,67 destina-se a

corrigir a influência do efeito do cobre na toxicidade por reduzir-se apenas parcialmente ao

estado cuproso. Por fim, a abreviação “ST” refere-se aos sólidos totais no digestor em kg/l, ao

passo que os termos “Zn”, “Ni”, “Pb”, “Cd” e “Cu” referem-se às concentrações totais dos

referidos metais nos lodos de digestão em mg/l, os quais terão seus efeitos explorados à seguir,

segundo o trabalho de Souza (1984) (21).

Os nitratos podem causar uma inibição completa do processo de metanogênese a uma

concentração de 50 mg/l e mínima a 10 mg/l. O nitrogênio amoniacal, por outro lado, pode

causar inibição do processo em concentração superior a 3.000 mg/l, efeitos adversos em altos

valores de pH na faixa de 1.500 a 3.000 mg/l e efeitos benéficos à digestão anaeróbia de 50 a

200 mg/l. A toxicidade do nitrogênio amoniacal deve ser levada em conta na ocorrência de

elevadas concentrações de nitrogênio total no substrato a ser digerido.

Sulfetos, triosulfatos, sulfitos e sulfeto de hidrogênio são compostos de enxofre com

potencial de inibir a digestão anaeróbia a concentrações de 290 mg/l, ao passo que o potencial

tóxico para o processo de degradação oriundo de compostos de sulfato é mais elevado: 6.750

mgSO42-/l. O efeito tóxico de sulfetos pode ser contido por meio do arraste gasoso do gás ou

precipitação com metais pesados, como o ferro.

34

Surfactantes, agentes ativos dos detergentes, compostos majoritariamente de

alquilbenzeno sulfonatos em detergentes não-biodegradáveis, ou alquilbenzeno sulfonatos

lineares, no caso de detergentes biodegradáveis. Embora esse último seja biodegradável, ele

não se degrada significativamente em condições anaeróbias próprias do reator, o que torna

ambos os agentes surfactantes inibitórios do processo em concentrações entre 600 e 900 mg/l.

O Instituto Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) (2010) (14), por outro

lado, traz outras faixas de concentração seguras ao processo no que tange a presença de metais

pesados (cobre, zinco e cromo), sulfeto de hidrogênio e complementa com a concentração

segura de operação para oxigênio no reator de degradação anaeróbia, que por seu caráter mais

restritivo e por se tratar de uma literatura publicada com respaldo do Ministério da Nutrição,

Agricultura e Defesa do Consumidor da Alemanha (BMELV) serão adotados como

concentrações de inibição para efeitos do presente trabalho.

O cobre, em virtude de suas propriedades bactericidas, é tóxico mesmo em

concentrações mínimas, na faixa de 40 a 50 mg/l. A amônia livre, não iônica, também se mostra

impactante a microrganismos em pequenas concentrações quando o equilíbrio com o amônio

é desfeito. Esse fenômeno ocorre em decorrência de as duas substâncias coexistirem em meio

aquoso, com a reação de amônia e água formando amônio e íons OH-, quando há formação

excessiva de íons OH- o pH aumenta e a reação é deslocada no sentido de formação de amônia

livre, a qual é inibitória ao processo acima da faixa de 80 a 250 mg/l. Aumentos de temperatura

no biodigestor também deslocam o equilíbrio da reação no sentido de formação da amônia.

O sulfeto de hidrogênio, por sua vez, na forma não dissociada, reage com citotoxina

sendo capaz de inibir o processo de degradação a concentrações superiores a 50mg/l. O

aumento do pH aumenta a concentração de sulfeto de hidrogênio livre no meio aquoso,

aumentando o risco de inibição do processo.

O autor traz ainda dados sobre os metais pesados zinco e cromo, os quais não devem

ter concentrações que ultrapassem 150 mg/l e 100 mg/l, bem como explora o oxigênio, o qual

não deve estar disponível no processo a uma concentração superior a 0,1 mg/l.

Por fim, o autor Chernicharo (2007) (15) traz dados de inibição quanto ao fósforo de

um quinto a um sétimo da concentração inibitória do nitrogênio amoniacal, por motivos

conservadores utilizaremos a razão de um quinto da concentração máxima de nitrogênio

amoniacal para se evitar a inibição do processo chegando ao valor de 600 mg/l.

Abaixo uma tabela resumindo todos os dados colhidos sobre elementos com

características inibitórias, bem como suas concentrações máximas:

35

Elementos Inibidores Concentração de Inibição

(mg/l)

Observações

Ácidos graxos voláteis 6.000 a 8.000 Quanto menor o pH maior o

efeito inibidor

Sódio 8.000

Potássio 12.000

Cálcio 8.000

Magnésio 3.000

Fósforo 600

Zinco 150 Só metais pesados

dissolvidos no sistema

apresentam caráter inibidor,

sendo o sistema

descontaminado pela

precipitação com sulfeto

Cromo 100

Cobre 40 a 50

Nitrato 50

Nitrogênio amoniacal 3.000 Quanto maior a temperatura

e o pH maior será o efeito

inibidor

Amônia livre 80 a 250

Sulfetos, triosulfatos,

sulfitos

290

Sulfato 6.750

Sulfeto de hidrogênio 50 Quanto menor o pH maior

será seu efeito inibitório

Surfactantes 600 a 900

Oxigênio 0,1 Inibição de arqueas

metanogêneas anaeróbias

obrigatórias Tabela 3-4 - Elementos inibitórios e suas concentrações (14) (15)

Cabe mencionar que os microrganismos envolvidos no processo se caracterizam por

sua alta adaptabilidade às condições do meio e, portanto, não se deve considerar os limites

como absolutos e aplicáveis para qualquer circunstância.

3.5. PARÂMETROS OPERACIONAIS

3.5.1. Carga Orgânica Volumétrica

A carga orgânica volumétrica, segundo a Instituição Fachagentur Nachwachsende

Rohstoffe e.V. (FNR) (2010) (14), expressa a quantidade em quilos de matéria orgânica seca

(MOS) que devem ser carregados no biodigestor por m³ de volume de trabalho por unidade de

36

tempo (kg MOS/(m³.d)) para se obter o rendimento máximo de gás advindo da decomposição

do substrato a um custo aceitável. Esse parâmetro é expresso pela seguinte fórmula:

𝐶𝑂𝑉 =�̇� × 𝑐

𝑉𝑟 × 100

Equação 3-5 - Carga orgânica volumétrica (COV) (14)

A equação tem por entradas a quantidade produzida de substrato por unidade de tempo

(�̇�) [kg/d], a concentração da matéria orgânica (c) [% MOS] e o volume do reator [m³].

Segundo a FNR (2010) (14):

“A carga orgânica volumétrica pode ser indicada para cada estágio (reservatório impermeável a gases,

isolado e aquecido), para todo o sistema (total dos volumes de trabalho de todos os estágios) e incluindo ou não

a recirculação de material. A alteração dos valores de referência pode resultar em COVs [Cargas Orgânicas

Volumétricas] bastante diversas para uma usina. Para que a comparação entre as COVs de diferentes usinas seja

o mais representativo possível, esse parâmetro deve ser calculado preferencialmente para o sistema como um

todo sem levar em conta a recirculação de material, ou seja, somente para o substrato fresco. ”

3.5.2. Tempo de retenção hidráulico (TRH)

Para fatores que influenciam o processo de fermentação anaeróbia, o TRH é

referenciado na Equação 3-2 - Tempo de retenção hidráulico (𝜃ℎ), como sendo:

𝑇𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑛çã𝑜 ℎ𝑖𝑑𝑟á𝑢𝑙𝑖𝑐𝑎 (𝜃ℎ) = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑜 𝑏𝑖𝑜𝑑𝑖𝑔𝑒𝑠𝑡𝑜𝑟

𝑉𝑎𝑧ã𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠í𝑑𝑢𝑜, o que representa o tempo

médio calculado em que um substrato permanece no biodigestor até a sua saída, e deve ser

ideal para se garantir que a renovação contínua do conteúdo do reator não seja lavada a uma

taxa superior à observada pela reprodução microbiana, e pela taxa de decomposição do

substrato, resultando em um rendimento de produção de biogás abaixo das expectativas.

Segundo a FNR (2010) (14) esse parâmetro tem maior importância em reatores que recebam

material a ser degradado com elevadas quantidades de líquidos e baixos teores de material

orgânico a ser decomposto.

3.5.3. Avaliação da Eficiência da Degradação do Substrato

O FNR (2010) (14) aponta que a produtividade, rendimento e taxa de degradação do

substrato são parâmetros que se prestam a descrever o rendimento do reator. A produtividade

expressa a produção de gás em relação ao volume do biodigestor como sendo o cociente entre

a produção diária de gás e o volume do reator. O rendimento, por sua vez, expressa a quantidade

de biogás produzida em relação à quantidade de matéria orgânica empregada no processo por

meio do substrato, entretanto, como parâmetro isolado ele se mostra pouco aplicável por não

agregar a carga efetiva do biodigestor, por essa razão esse critério de avaliação deve ser sempre

acompanhado da carga orgânica volumétrica. Por fim, a taxa de degradação sintetiza a

eficiência de aproveitamento do substrato em termos de massa orgânica seca (MOS) ou

demanda bioquímica de oxigênio (DQO). As formulações referentes à produtividade,

rendimento e taxa de degradação estão respectivamente apontadas abaixo:

37

𝑃 (𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜) =𝑉(𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜)̇

𝑉𝑟

Equação 3-6 - Produtividade de gás metano (14)

Onde P (Metano) se refere à produtividade do metano em Nm³/(m³.d), o 𝑉(𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜)̇ ,

por sua vez, se refere à produção de metano em Nm³/d e o termo Vr faz alusão ao volume do

reator em m³.

𝐴 (𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜) =𝑉(𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜)̇

𝑚 𝑀𝑂𝑆̇

Equação 3-7 - Rendimento de gás metano (14)

O termo A (Metano) se refere ao rendimento de metano em Nm³/t, o 𝑉(𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜)̇ , por

sua vez, expressa a produção de metano em Nm³/d, e o 𝑚 𝑀𝑂𝑆̇ faz alusão à matéria orgânica

seca introduzida em t/d.

𝜂 𝑀𝑂𝑆 = 𝑀𝑂𝑆𝑠𝑢𝑏×𝑀𝑖𝑛−(𝑀𝑂𝑆𝑠𝑎×𝑀𝑠𝑎)

𝑀𝑂𝑆𝑠𝑢𝑏×𝑀𝑖𝑛× 100

Equação 3-8 - Taxa de degradação da biomassa (14)

O termo 𝜂 𝑀𝑂𝑆 expressa a taxa de degradação da biomassa em porcentagem, a

𝑀𝑂𝑆𝑠𝑢𝑏 se refere ao teor de matéria orgânica seca da matéria fresca introduzida em kg/T, a

𝑀𝑖𝑛 faz alusão à massa da matéria fresca introduzida, em toneladas, a 𝑀𝑂𝑆𝑠𝑎 aponta o teor de

matéria orgânica seca na saída do biodigestor em kg/T, e a 𝑀𝑠𝑎 aponta a massa de

biofertilizantes em toneladas.

3.6. POTENCIAL DE GERAÇÃO DE BIOGÁS TEÓRICO

A produção de gás metano pode ser obtida por meio de dados experimentais ou modelos

teóricos. De acordo com Chernicharo (2007) (15) existem duas vertentes para inferir à respeito

da produção de gás metano, sendo essas a avaliação da composição química do substrato e da

demanda bioquímica de oxigênio (DQO) do substrato degradado. Estudos mais recentes

desenvolvidos por Nashimura (2009) (23) exploram o potencial de geração de gás metano com

base nos sólidos voláteis e o tempo de retenção hidráulico, ao passo que o FNR (2010) (14)

explora um modelo baseado na proteína, carboidratos e gordura digestíveis.

3.6.1. Geração Teórica de Biogás por Demanda Química de Oxigênio

Chernicharo (2007) (15), aborda a possibilidade de cálculo do potencial de geração de

gás metano pela presença de matéria orgânica carbonácea, segundo a equação de cálculo

simplificado da parcela de DQO convertida em gás metano, desconsiderando-se a parcela

38

convertida em biomassa, bem como a produção de sulfetos na competição por parte de bactérias

sulfuredutoras. Com isso, apresenta-se a seguinte equação:

𝐷𝑄𝑂𝐶𝐻4 = 𝑄. (𝑆0 − 𝑆) − 𝑌𝑜𝑏𝑠. 𝑄. 𝑆0

Equação 3-9 - Geração teórica de gás metano pela demanda química de oxigênio (15)

Onde DQOCH4 refere-se à carga de DQO convertida em gás metano em kg DQOCH4/d,

ao passo que Q refere-se à vazão afluente em m³/d, S0 à concentração de DQO afluente (kg

DQO/m³), S à concentração de DQO efluente (kg DQO/m³), Yobs ao coeficiente de produção

de sólidos no sistema, em termos de DQO (0,11 a 0,23 kg DQOlodo / kg DQO apl, segundo

Chernicharo (2007) (15)).

A conversão da massa de metano (kg DQOCH4/d) em produção volumétrica potencial

(m³CH4/d) é inferida com o auxílio das respectivas equações:

𝑄𝐶𝐻4 =𝐷𝑄𝑂𝐶𝐻4

𝑓(𝑇)

Equação 3-10 - Produção volumétrica de metano (15)

Onde QCH4 refere-se à produção volumétrica de metano (m³/d), ao passo que f (T)

refere-se ao fator de correção para a temperatura operacional do reator (kg DQO/m³).

𝑓(𝑇) =𝑃. 𝐾𝐷𝑄𝑂

𝑅. (273 + 𝑇)

Equação 3-11 - Fator de correção para a temperatura operacional do reator (15)

Onde f (T) refere-se a um fator de correção para a temperatura operacional do reator

em kgDQO.m-3. Por sua vez, P refere-se à pressão atmosférica (1atm), KDQO corresponde a um

mol de CH4 (64 kg DQO/mol), R à constante dos gases (0,08206 atm.L/mol K) e T à

temperatura operacional do reator (°C).

Obtida a produção teórica de metano, pode-se estimar a produção total de biogás a partir

do teor esperado de metano neste, de acordo com a seguinte equação:

𝑄𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠 =𝑄𝐶𝐻4

𝐶𝐶𝐻4

Equação 3-12 - Produção volumétrica diária de gás metano (15)

Onde, Qbiogás refere-se à produção volumétrica de biogás por dia (m³/d), QCH4

corresponde à produção volumétrica de metano (m³/d) e CCH4 à um fator de conversão referente

à concentração de metano no biogás, normalmente da ordem de 70% a 80%; para o presente

trabalho será assumida uma concentração de metano no biogás de 70%, valor dentro do

intervalo proposto por Salomon (2007) (24). A partir da eficiência do reator, ou da

concentração final da DQO após a degradação, pode-se estimar a produção de CH4,

desconsiderando-se a carga de DQO que foi convertida em biomassa.

39

3.6.2. Geração Teórica de Biogás por Concentração de Sólidos Voláteis

De acordo com Nishimura, R. (2009) (23), por outro lado, a estimativa da produção de

metano pode ser feita a partir da concentração de sólidos voláteis no substrato. A sequência

abaixo representa as equações necessárias para a estimativa de produção de CH4 na câmara de

biodigestão em função dos sólidos voláteis:

𝛾𝑣 = (𝐵0. 𝑆𝑉0

𝑇𝑅𝐻) × (

1 − 𝑘

𝑇𝑅𝐻. 𝜇𝑚 − 1 + 𝑘)

Equação 3-13 - Produção de metano (23)

Onde γv refere-se à produção de metano em m3, B0 à taxa máxima de produção de

metano em m³CH4/kgSV; SV0, por sua vez, corresponde à concentração de sólidos voláteis do

efluente (kg/m3), TRH ao tempo de retenção hidráulico em dias, μm à taxa de crescimento

máximo específico em 1/d, k refere-se ao coeficiente cinético adimensional, e, por fim, T se

refere à temperatura da biomassa em graus Celsius.

Ainda segundo o autor, o coeficiente cinético adimensional e a taxa de crescimento

máximo específico podem ser expressos pelas seguintes equações:

𝑘 = 0,5 + 0,0043. 𝑒0,051.𝑆𝑉0

Equação 3-14 - Coeficiente cinético adimensional (23)

𝜇𝑚 = 0,013. 𝑇 − 0,129

Equação 3-15 - Taxa de crescimento máximo específico (23)

Brown, D. et. al (2013) (25), por sua vez, realizou o teste bioquímico de metano para

resíduos orgânicos sólidos urbanos, como poda e restos de alimentos de origem domiciliar e

comercial. No que tange resíduos de poda, como grama e folhas, a relação carbono-nitrogênio

obtida experimentalmente para esses substratos foi de 17 e 11, respectivamente, ao passo que

restos de alimentos de restaurantes apresentaram uma relação carbono-nitrogênio de 15, dados

esses que operam dentro da faixa adequada de degradabilidade pelos microrganismos

decompositores, segundo o FNR (2010) (14), o qual determinou essa faixa como sendo uma

razão de carbono-nitrogênio de 10 – 30.

A quantidade de gás metano obtida no biogás foi medida como o volume em litros

obtido a partir da massa de sólidos voláteis do substrato em quilos, empregando o modelo

estatístico SAS software (Version 8.1, SAS Institute Inc., Cary,NC, USA) baseado em análise

de variância (ANOVA) com um desvio padrão para os dados obtidos de 4,2%. De acordo com

o estudo, o resíduo sólido orgânico urbano estudado, contando com uma mistura entre resíduos

de origem comercial e doméstica, obteve uma produção de 508 L de metano por quilo de sólido

volátil adicionado (508 LCH4/kgSV), entretanto, considerando apenas os sólidos orgânicos de

rejeitos residenciais, obteve-se uma produção de 419 L de metano por quilo de sólido volátil

adicionado (419 LCH4/kgSV). O estudo ainda aponta uma razão ideal entre sólidos voláteis secos

40

inseridos no sistema como substrato e biofertilizantes (obtidos após o processo de

decomposição anaeróbia) de dois, visando a condição adequada de digestão dos

microrganismos envolvidos no processo, visando extrair o máximo potencial de gás metano no

processo.

Em um artigo adaptado desse estudo, realizado pela autora Nazaro (2016) (9), calculou-

se a relação carbono-nitrogênio para resíduos de origem domiciliar e comercial, bem como a

quantidade de sólidos voláteis, como um percentual da massa orgânica seca, dados esses

apresentados na Tabela 3-5 - Teor de sólidos totais, sólidos voláteis e relação

Carbono:Nitrogênio (C:N) de resíduos orgânicos residenciais e comerciais:

Substrato Sólidos

Totais (%

Massa

Orgânica

Seca)

Sólidos

Voláteis

(%

Massa

Orgânica

Seca)

%

Sólidos

Voláteis

/ %

Sólidos

Totais

Carbono

(%

Sólidos

Totais)

Hidrogênio

(% Sólidos

Totais)

Nitrogênio

(% Sólidos

Totais)

Carbono:

Nitrogênio

Resíduo

Doméstico

21,9 19,9 0,91 46,8 6,3 2,7 17,3

Resíduo

Comercial

35,4 30,1 0,85 49,0 7,0 3,4 14,4

Tabela 3-5 - Teor de sólidos totais, sólidos voláteis e relação Carbono:Nitrogênio (C:N) de resíduos orgânicos

residenciais e comerciais (9)

3.6.3. Geração Teórica de Biogás por Concentração de Proteínas, Gorduras e

Carboidratos Digestíveis

Segundo a metodologia apontada pelo FNR (2010) (14), a quantidade de biogás que

pode ser produzido por um reator advém das propriedades do substrato, com isso mostra-se

possível estimar o rendimento de gás com base na soma das produções de gás dos materiais

introduzidos. Com base na concentração de matéria mineral, proteína bruta, gordura bruta, fibra

bruta, extratos não-nitrogenados e suas respectivas digestibilidades por parte dos

microrganismos pode-se inferir a respeito do rendimento de metano e biogás total a ser obtido

por meio da formulação matemática:

𝑇𝑒𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑀𝑂𝑆 =(1.000 − 𝑚𝑎𝑡é𝑟𝑖𝑎 𝑚𝑖𝑛𝑒𝑟𝑎𝑙)

10

Equação 3-16 - Teor de massa orgânica sólida (14)

A equação exprime a quantidade de massa orgânica seca (MOS) em termos de

porcentagem de massa sólida, tendo por única entrada a concentração de matéria mineral em

g/kg de massa seca (MS).

𝑃𝑟𝑜𝑡𝑒í𝑛𝑎 𝑑𝑖𝑔𝑒𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙 =(𝑝𝑟𝑜𝑡𝑒í𝑛𝑎 𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎 × 𝐷𝐺𝑟𝑝)

1.000

Equação 3-17 - Proteína digestível por massa seca (14)

41

A equação define a concentração de proteína digestível em kgMOS/kgMS, tendo por

entradas a proteína bruta em kgMOS/kgMS e a digestibilidade do substrato em questão (𝐷𝐺𝑟𝑝)

em porcentagem.

𝐺𝑜𝑟𝑑𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑖𝑔𝑒𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙 =(𝑔𝑜𝑟𝑑𝑢𝑟𝑎 𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎 × 𝐷𝐺𝑒𝑒)

1.000

Equação 3-18 - Gordura digestível por massa seca (14)

A equação aponta a concentração de gordura digestível em kgMOS/kgMS, tendo por

entradas a gordura bruta em kgMOS/kgMS e a digestibilidade da gordura bruta (𝐷𝐺𝑒𝑒) em

porcentagem.

𝐶𝑎𝑟𝑏𝑜𝑖𝑑𝑟𝑎𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑖𝑔𝑒𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑖𝑠 =(𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎 × 𝐷𝐺𝑓𝑏) + (𝐸𝑁𝑁 × 𝐷𝐺𝑒𝑛𝑛)

1.000

Equação 3-19 - Carboidratos digestíveis por massa seca (14)

A equação exprime a concentração de carboidratos digestíveis em kgMOS/kgMS,

sendo as entradas para esse modelo matemático a concentração de fibra bruta na massa seca

em g/kgMS, a biodegradabilidade desse material (𝐷𝐺𝑓𝑏) em porcentagem, a concentração de

extratos não-nitrogenados (𝐸𝑁𝑁) em gMOS/kgMS e a biodegradabilidade de extratos não-

nitrogenados (𝐷𝐺𝑒𝑛𝑛) em porcentagem.

Com os dados obtidos de concentração de proteína digestível, gordura digestível e

carboidratos digestíveis por massa seca multiplicar cada dado, respectivamente, pela produção

de biogás específica, em 1/kgMOS, para obter o rendimento de biogás, em l/kgMOS. Para obter

o rendimento de metano, por fim, em l/kgMOS, multiplica-se o valor de produção de biogás,

em l/kgMOS, pelo valor da concentração do substrato digestível de análise, em kgMOS/kgMS.

Os valores padrão de produção de biogás e teor de metano seguem, segundo o FNR (2010)

(14), seguem discriminados abaixo:

Extrato de Interesse Produção de biogás

(l/kgMOS)

Teor de metano (% em

volume)

Proteína digestível 700 71

Gordura digestível 1.250 68

Carboidratos digestíveis 790 50 Tabela 3-6 - Produção de biogás específica e teor de metano dos respectivos extratos de interesse (14)

3.6.4. Teste Bioquímico de Metano

Segundo o artigo “Proposta de procedimento operacional padrão para o teste do

Potencial Bioquímico do Metano aplicado a resíduos sólidos urbanos”, de Silva (2016) (26), o

Teste Bioquímico de Metano monitora o volume do biogás gerado a partir do substrato,

avaliando a capacidade de biodegradação através da produção total de gás metano. Os ensaios

são monitorados através de medições constantes de pressões e temperaturas internas além da

pressão ambiente. Para a realização do teste são inoculadas amostras contendo uma pequena

42

fração do resíduo sólido, meio de cultura e uma suspensão de microrganismos de concentração

adequada.

Para a elaboração do procedimento proposto por Silva (2016) (26) são realizadas,

segundo o autor, cinco etapas. A primeira parte do experimento consiste em uma coleta de

amostra em área com chegada frequente de resíduos líquidos e pH neutro a fim de evitar um

lodo saturado, mantendo-o a 10°C. Para a realização do procedimento a amostra deve ser

incubada a 35°C durante 24h antes do início do teste, para ativação da biomassa.

Na segunda etapa, qualquer resíduo deve ser preparado de acordo com a caracterização

gravimétrica do local em estudo, buscando aproximar características como teor de umidade de

sólidos totais voláteis, respeitando a indicação de matéria orgânica presente no substrato. Ainda

nessa etapa realiza-se a caracterização físico-química do material através dos parâmetros teor

de umidade, densidade, sólidos totais, sólidos totais voláteis e sólidos totais fixos.

Na terceira etapa do teste de Potencial Bioquímico do Metano adiciona-se a solução

nutritiva como substrato, microrganismos em frasco com sepros, tampas herméticas, e recobre-

se o sistema com papel alumínio para evitar a incidência de raios ultravioleta que poderiam

comprometer o estudo. Ao inóculo é borbulhado nitrogênio por 30s e reservado o sistema em

estufa a 35°C por um período de 90 dias.

A quarta etapa consiste no monitoramento analítico dos reatores do teste, considerando

três parâmetros: temperatura, devendo encontrar-se na faixa de 30°C a 45°C durante todo o

processo de crescimento da população de microrganismos durante o processão de fermentação

anaeróbia, a pressão interna, através de inserção da agulha do medidor no frasco por meio do

septo, e a cromatografia gasosa.

Figura 3-3 - Medição da pressão interna utilizando o manômetro (26)

43

Figura 3-4 - Coleta do biogás no reator anaeróbio com injeção no comatógrafo gasoso (26)

A quinta etapa, por sua vez, e de maior interesse para o presente estudo, consiste na

estimativa da produção de biogás. Os resultados são expressos em litros normais de biogás por

quilograma de massa seca de CNTP e são obtidos através das seguintes equações:

𝑉𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠,𝑇,𝑇+1 =𝑃𝐹𝑚𝑏𝑎𝑟 × 𝑉𝑈𝐹(𝑙) × 22,41

83,14 × 𝑇𝐹(𝐾)× 1000

Equação 3-20 - Cálculo do volume de biogás gerado para o Teste Bioquímico de Metano (26)

Onde T refere-se ao tempo em dias, PFmbar à pressão do frasco em milibar, VUF(l) ao

volume útil do frasco em litros e TF(K) à temperatura do frasco em Kelvins.

𝑉𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠,𝐶𝑁𝑇𝑃 =𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜(𝑚𝑙) × 273 × (𝑃𝑎𝑡𝑚,𝑚𝑏𝑎𝑟 − 42)

𝑇𝐹(𝐾) × 760

Equação 3-21 - Volume de biogás acumulado CNTP para o Teste Bioquímico de Metano (26)

Onde Vbiogás,CNTP refere-se ao volume de biogás acumulado CNTP em NmL, Patm,mbar

refere-se à pressão atmosférica em mbar e TF(K) à temperatura do frasco em Kelvins.

𝑉𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠,𝐶𝑁𝑇𝑃,2 =𝑉𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠,𝐶𝑁𝑇𝑃 × 𝑀𝑆𝑅𝑆𝑈

1.000

Equação 3-22 - Volume acumulado de biogás em NL/kgMS para o Teste Bioquímico de Metano (26)

Onde, Vbiogás,CNTP,2 refere-se ao volume acumulado de biogás em NL/kgMS, e MSRSU à massa

seca do RSU em kg.

3.6.5. Geração Teórica de Biogás pelo Método de Buswell

De acordo com o autor Reith (2003) (27), a fórmula proposta por Buswell baseia-se na

composição química do substrato para prever por estequiometria a obtenção dos produtos

componentes da digestão, assumindo que. A fórmula assume que o composto orgânico

CnHaObNd é biodegradável e pode ser completamente convertido pelos organismos anaeróbicos

(rendimento de lodo é assumido como zero) em CH4, CO2, NH3 e H2S.

A Equação 3-23 - Fórmula de Buswell representa a forma estequiométrica para

obtenção dos produtos da degradação anaerobiótica do substrato enunciada abaixo:

44

𝐶𝑐𝐻ℎ𝑂𝑜𝑁𝑛𝑆𝑠 +1

4(4𝑐 − ℎ − 2𝑜 + 3𝑛 + 2𝑠)𝐻2𝑂 →

1

8(4𝑐 − ℎ + 2𝑜 + 3𝑛 + 2𝑠)𝐶𝑂2

+1

8(4𝑐 + ℎ − 2𝑜 − 3𝑛 − 2𝑠)𝐶𝐻4 + 𝑛𝑁𝐻3 + 𝑠𝐻2𝑆

Equação 3-23 - Fórmula de Buswell (27)

3.7. TIPOS DE REATORES

O biodigestor é uma tecnologia de tratamento de rejeitos utilizado para a conversão de

matéria orgânica em biogás por via anaeróbica. De acordo com o autor Magalhães (1986) (28),

os equipamentos conectados diretamente ao tanque de biodigestão para alimentação, descarga,

coleta e demais etapas de obtenção do produto final e do lixiviado a ser tratado são, de maneira

genérica:

Tanque de entrada: local de amostragem onde é feita a mistura do substrato

Tubo de carga: tubo condutor através do qual é feita a introdução do substrato no

digestor

Digestor: reator onde ocorre a digestão anaeróbia da matéria orgânica

Septo: parede divisória de direcionamento do fluxo de efluentes dentro do digestor

Gasômetro: câmara onde o biogás produzido na fermentação é armazenado

Tubo guia: guia de deslocamento vertical do gasômetro devido à expansão ou

compressão pela produção de biogás, apresentando-se no biodigestor apenas no

modelo indiano

Tubo de descarga: conduto por onde o efluente digerido é expelido

Tanque de descarga: caixa de saída do efluente digerido

Saída do biogás: tubulação instalada no gasômetro para a saída do biogás, a qual

possui uma válvula para controle da saída de gás

Abaixo uma representação genérica extraída do site Climate CoLab no artigo “Using

Biogas Technology To Improve Sanitation And Mitigate Climate Change” (29):

Figura 3-5 - Representação genérica de um biodigestor (29)

45

No Brasil os biodigestores começaram a ganhar mais desenvolvimento a partir da

década de 80, segundo o autor Andrade (2002) (30), o qual expõe que as regiões rurais foram

inicialmente mais favorecidas, em detrimento da região urbana, em virtude de apoio dos

Ministérios da Agricultura e de Minas e Energia com aproximadamente 8.000 unidades

instaladas, destacando-se os modelos de lagoa coberta chineses e indianos, majoritariamente,

acompanhados por modelos com cobertura plástica.

Entre os modelos de biodigestores simplificados mais empregados pode-se destacar o

biodigestor tipo balão (Modelo Canadense), o biodigestor com cúpula fixa (Modelo Chinês) e

o biodigestor com campânula flutuante (Modelo Indiano).

Atualmente, a popularização do uso de biodigestores no Brasil enfrenta barreiras de

ordem financeira: a falta de incentivos governamentais, custos relativamente altos para a

instalação do equipamento, e falta de pesquisas com o intuito de desenvolver materiais

alternativos para a construção desses equipamentos a preços de mercado atrativos para o

consumidor final, bem como a divulgação ampla da tecnologia como forma de aproveitamento

energético em residências.

3.7.1. Biodigestor Modelo Canadense

O biodigestor modelo balão, ou modelo canadense, segundo Macedo (2013) (31)

apresenta um tempo de retenção entre 30 e 35 dias, além de apresentar como vantagens,

segundo o autor Andrade (2002) (30), o baixo custo de implantação, a simplicidade técnica de

construção, por poder ser instalado sob o terreno ou em baixas profundidades, além de sua

descarga, fácil limpeza e manutenção. Por outro lado, ainda segundo o autor, o biodigestor

modelo balão apresenta como desvantagens a curta vida útil (cinco anos), a suscetibilidade a

danos, não sendo recomendado para locais onde esteja sujeito a cortes da lâmina (a qual deve

receber tratamento contra raios ultravioleta para aumentar a vida útil dos gasômetros de

material plástico), além da sensibilidade a variações térmicas superior a outros modelos de

reatores, sendo recomendado que esse modelo seja empregado em locais com temperaturas

altas e constantes; em regiões frias recomenda-se a instalação de um sistema de aquecimento e

proteger o equipamento à ação do vento.

Os autores Alves (2013) (32) e Henn (2005) (33), por outro lado, colocam mais enfoque

na descrição do biodigestor, apontando que alguns autores o caracterizam como uma lagoa

anaeróbia coberta com baixa taxa, podendo possuir uma caixa de entrada e uma de saída,

canalizando os rejeitos em função da vazão que se deseja. Possui, ainda, uma câmara de

fermentação subterrânea revestida com material impermeabilizante e uma campânula superior

para reter os gases produzidos. A cúpula deste modelo é de plástico maleável tipo PVC, o qual

infla com a produção de biogás, podendo-se controlar a pressão na qual o gás se encontra na

campânula com o auxílio de uma válvula reguladora. O biodigestor deve prever ainda uma

drenagem de lodo. Ainda segundo Henn (2005) (33), alguns autores recomendam a

combinação da tecnologia do modelo canadense com o pós-tratamento em lagoas de

decantação ou pré-tratamento com bioesterqueiras, obtendo-se, assim, bons resultados na

estabilização da matéria orgânica

46

Neste modelo precisa-se, ainda, instalar um sistema com lastro para regular a pressão

do gás. Abaixo pode-se ver uma representação simplificada do biodigestor modelo canadense

extraída do artigo de Alves (2013) (32):

Figura 3-6 - Representação gráfica do biodigestor modelo canadense (32)

Pode-se observar na Figura 3-6 - Representação gráfica do biodigestor modelo

canadense que ao redor do reator existe um feixe hídrico (lâmina d’água); tal estrutura tem

como função, segundo Henn (2005) (33), impedir a saída do biogás em toda a extensão do

biodigestor. A ancoragem em biodigestores de volumes pequenos pode ser feita no solo,

enterrando-se as lonas internas e externas, gastando-se, entretanto, mais lona para tanto. Abaixo

uma representação no detalhe do feixe hídrico utilizado na ancoragem da campânula do

biodigestor, extraída da tese de mestrado de Henn (2005) (33):

Figura 3-7 - Esquema do feixe hídrico de um biodigestor (33)

Na captação de biogás, ainda segundo Henn (2005) (33), quando a operação se inicia,

deve-se liberar o gás até a manta ficar cheia pela primeira vez dado que o gás produzido estará

misturado com oxigênio, o que gera um risco de explosão. Tal procedimento é feito fechando-

47

se a saída de biogás e expulsando o gás interno sem sua queima; quando a manta for enchida

pela segunda vez o biogás gerado poderá ser queimado normalmente.

De acordo com Macedo (2013) (31), o biodigestor canadense é composto pelas

seguintes unidades, cada uma possuindo as características discriminadas abaixo:

Caixas de passagem na entrada e saída dos rejeitos

Câmara de fermentação

Tubulação de entrada e saída para o fluxo do dejeto

Campânula em manta de PVC

Tubulação de saída do biogás

Conjunto de bombas centrífugas

3.7.1.1. Caixa de Passagem

Dado que o fluxo dos biodigestores é contínuo, não se faz necessário a construção de

caixa de entrada para estoque de rejeitos à entrada e saída do biodigestor, segundo Henn (2005)

(33). Projetam-se apenas caixas de passagem para inspeção

3.7.1.2. Câmara de Fermentação

Segundo Henn (2005) (33), a câmara de fermentação pode ou não ter revestimento em

alvenaria, o qual protege a manta. O volume do biodigestor pode ser determinado através da

Equação 3-2 - Tempo de retenção hidráulico (𝜃ℎ), a qual exprime o tempo que o efluente deve

permanecer no reator para se atingir a degradação esperada.

A carga volumétrica, por sua vez, ainda segundo o autor, aponta a quantidade de massa

aplicada diariamente no reator por unidade de volume do mesmo, respeitando a equação

abaixo:

𝐶𝑉 =𝑄 × 𝐶0

𝑉

Equação 3-24 - Carga volumétrica (31)

Onde CV refere-se à carga volumétrica aplicada ao biodigestor (kg/(m3.d)), Q, por outro

lado, refere-se à vazão em m³/d, S0 refere-se à concentração de substrato (kg/m3) e, por fim, V

refere-se ao volume do reator em m³. Recomenda-se que para biodigestores de baixa carga

sejam aplicadas cargas volumétricas entre 0,5 e 1,6 kg SV/(m3.d).

Para o dimensionamento da unidade, segundo Henn (2005) (33), deve-se ainda inferir

sobre a eficiência do processo, utilizando-se a concentração de substrato afluente e efluente,

segundo a seguinte equação:

𝐸(%) = (𝑆 − 𝑆0

𝑆) × 100

Equação 3-25 - Eficiência do reator tipo canadense (31)

48

Onde E refere-se à eficiência do tratamento (%), S0 à concentração de substrato afluente

(kg.m-3) e S à concentração de substrato efluente (kg/m³).

No que se refere à altura útil do biodigestor a autora aponta que são encontrados os

seguintes valores na literatura:

Biodigestor: 1,5 a 3,0 m

Digestor de lodo: 4,0 m

Lagoas anaeróbias: 3,0 a 5,0 m

Em relação à base retangular da câmara de fermentação, essa possui um talude, o qual

tem uma relação comprimento-largura que varia de 2,7 a 3,0 m, para as partes superiores do

talude, e de 4,3 a 6,0 para as partes inferiores do talude. Freitas (2011) (34) em seu trabalho

aponta as medidas de alguns empreendimentos, os quais acompanhou a implantação, trazendo

dados reais e testando experimentalmente as relações comprimento-largura propostas para

biodigestores de pequeno porte:

Volume

(m³)

Profundidade

(m)

Comprimento

maior C1 (m)

Largura

maior

L1 (m)

Relação

C1/L1

Comprimento

menor C2 (m)

Largura

menor

L2 (m)

Relação

C2/L2

3 1,0 3,5 1,2 2,9 3,0 0,7 4,3

7 1,0 6,0 2,0 3,0 4,8 0,8 6,0

15 1,4 7,0 2,5 2,8 5,5 1,0 5,5

20 1,5 8,0 3,0 2,7 5,0 1,0 5,0

30 1,5 10,0 3,5 2,9 8,0 1,5 5,3

Tabela 3-7 - Dimensionamento do biodigestor de acordo com o volume (34)

Figura 3-8 - Planta de topo da escavação e dimensionamento da manta (34)

Por meio do estudo de Freitas (2011) (34) pode-se comprovar experimentalmente a

legitimidade das relações comprimento-largura para as porções superior e inferior do reator em

formato de talude, as quais são, respectivamente, 2,7 a 3,0 m e 4,3 a 6,0 m, dados esses que

serão utilizados no dimensionamento.

49

3.7.1.3. Tubulações

As tubulações e conexões, segundo Henn (2005) (33), devem ser previstas para os

seguintes usos do projeto:

Abastecimento e drenagem de lodo

Sistema de armazenamento, transporte e distribuição do efluente digerido

Sistema de transporte e conversão do biogás

3.7.1.4. Bombas Centrífugas

As bombas de recalque, segundo Henn (2005) (33), são projetadas comparando-se a

altura manométrica do sistema com a altura manométrica que a bomba poderá recalcar. A altura

manométrica refere-se ao fluxo de rejeitos gerado através da gravidade pela instalação do

biodigestor em uma cota inferior à jusante da entrada de substrato.

3.7.1.5. Campânula em Manta

O volume da manta de PVC que cobre o digestor, segundo Henn (2005) (33), deve ter

volume suficiente para que a pressão parcial do gás não exerça pressão na manta, sendo a área

da manta diretamente proporcional a esse volume.

3.7.1.6. Custos da Implantação do Biodigestor

Conforme explorado no trabalho de Macedo (2013) (31), o dispêndio financeiro para a

conclusão de tal empreendimento está diretamente associado aos materiais empregados nessa

obra, às atividades a serem desenvolvidas, bem como à mão-de-obra necessária para a sua

construção e às condições do terreno. Entretanto, o custo mais significativo do biodigestor de

modelo canadense é mais previsível que os demais: aquisição da manta de 1,0 m de espessura.

Ainda segundo a autora, os serviços de mão-de-obra necessários são a escavação do

solo para abrigar o reator da unidade de degradação anaeróbia do substrato, a caixa de entrada

de substrato e a caixa de saída de biofertilizante, cobertura do reator com a manta plástica de

PVC, colocação dos tubos para transporte do substrato efluente, afluente e biogás, fixação do

perímetro da manta plástica, ancorando-a com o auxílio de um feixe hídrico, e, por fim, iniciar

a primeira carga e descarga da unidade para, após então, iniciar sua operação.

A Tabela 3-8 - Área total e preço da manta de laminado de PVC flexível , aponta preços

fornecidos pela empresa SANSUY, os quais são compatíveis com o estipulado pela Empresa

Brasileira de Pesquisa Agropecuária, com dado referente a 2013 segundo a autora Macedo

(2013) (31) de R$ 150,00 por metro cúbico.

50

Volume (m³) Área Total (m²) Preço (R$)

3 43 712,00

7 68 1.127,00

15 99 1.640,00

20 127 2.104,00

30 161 2.666,00 Tabela 3-8 - Área total e preço da manta de laminado de PVC flexível (31)

3.7.2. Biodigestor Modelo Chinês

Segundo Nazaro (2016) (9), o modelo, também conhecido como biodigestor de

campânula fixa, é normalmente construído sob o solo, em alvenaria, e com teto abobadado,

que funciona como câmara de gás. Esse modelo tem por intuito ter a pressão interna aumentada,

conforme ocorra a digestão do substrato e produção do gás, deslocando, assim, para a caixa de

saída o material digerido até que o gás seja totalmente produzido, e desloque-se para uma

câmara de gás fixa, reduzindo assim a pressão do reator, levando ao retorno do material

digerido da caixa de saída.

Os modelos construídos em alvenaria, ainda segundo a autora, geralmente são de baixo

custo, mas devem ser devidamente vedados para evitar o escape de gases da biodigestão

anaeróbia. Para garantir um funcionamento adequado o substrato deve ser adicionado com uma

frequência adequada para conferir ao reator uma condição de alimentação contínua, além de

garantir-se um substrato com concentração total de sólidos de até 8% para prevenir

entupimentos das tubulações de entrada e de saída do substrato.

Segundo Andrade (2002) (30), por sua vez, caracteriza-se pela variação de pressão no

gasômetro; caso seja requerida uma pressão constante para alimentação de equipamentos é

necessário um regulador de pressão ou um depósito de gás flutuante ou a construção de uma

campânula ligada ao biodigestor por conexões de PVC que armazene o biogás, com um

dispositivo de feixe rápido que controle a entrada do biogás e impeça a saída do armazenado.

Na Figura 3-10 - Representação do funcionamento de um regulador de pressão, o sistema de

armazenamento e de feixe rápido é representado de forma mais elucidativa.

Ainda segundo Andrade (2002) (30), mostra-se importante que o projetista de um

biodigestor de modelo chinês mantenha no máximo uma abertura na câmara de gás, a escotilha

de entrada para manutenção. Uma solução viável é projetar uma abertura entre o tanque de

compensação e a câmara de digestão por onde possa passar um operador para a realização da

manutenção e, assim, eliminar a escotilha de visita na cúpula de gás. Além disso, as tubulações

de carga e descarga de lodo não devem passar pela câmara de gás, evitando assim vazamentos

nas intersecções entre os diferentes materiais utilizados; a tubulação de saída de gás também

pode passar pela abertura de descarga do lodo digerido, evitando assim qualquer furo na cúpula

de gás.

O modelo chinês apresenta baixo custo de construção, segundo Andrade (2002) (30),

por não possuir partes móveis, tampouco partes metálicas que possam ser oxidadas e, com isso,

destaca-se por sua maior durabilidade. Esses biodigestores são construídos enterrados e

51

ocupam pouco espaço fora do solo, por isso são menos sensíveis a variações térmicas em

regiões que apresentem baixas temperaturas no inverno. Por outro lado, há a ocorrência de

oscilações de pressão de gás que às vezes são muito altas para serem suportadas pela estrutura

ou pelos equipamentos a gás. Estes biodigestores não apresentam descarga automática,

possuindo, portanto, um manejo complicado.

Abaixo, uma representação gráfica simplificada dos componentes relacionados ao

biodigestor de modelo balão, extraída de Torres e Pedrosa (2009) (35):

Figura 3-9 - Vista frontal, em corte, do biodigestor modelo Chinês (35)

Figura 3-10 - Representação do funcionamento de um regulador de pressão (35)

52

Por fim, quanto ao tempo de retenção hidráulico do reator chinês, têm-se que segundo

a autora Stachissini (2014) (36) esse varia na faixa de 40 a 60 dias.

3.7.3. Biodigestor Modelo Indiano

O biodigestor de campânula flutuante, ou modelo indiano, segundo o autor Andrade

(2002) (30), é composto de uma câmara de digestão e de um depósito de gás móvel, e assim

como os outros modelos enunciados anteriormente, não possui sistema de agitação que evite a

sedimentação do lodo ou a quebra da escuma. Este reside diretamente sobre o lodo em digestão,

o qual deve ter um teor de sólidos de até 8% do volume total do substrato, assim é possível

manter constante a pressão do gás, operando como um biodigestor contínuo com descarga

automática, dispensando o tanque de compensação. Este modelo de reator, por outro lado,

apresenta alto custo de implantação, devido ao emprego da campânula, geralmente metálica, o

que implica em necessidade recorrente de manutenção quanto à pintura da campânula em

virtude de corrosões.

Segundo a autora Nazaro (2016) (9), os procedimentos de manutenção deste modelo

envolvem retirada de lodo sedimentado, controle de vazamentos e conservação da estrutura,

podendo ter menor vida útil que o modelo chinês em virtude da campânula de aço devido à

provável corrosão desse componente.

Abaixo, Figura 3-11 - Biodigestor contínuo modelo indiano , realizada por Júnior

(2005) (37), bem como uma representação em perfil com todas as câmaras, conexões,

alimentação de substrato e saída de gás discriminadas (Figura 3-12 - Biodigestor modelo

indiano representação gráfica ), retirada de Furtado (2012) (38):

Figura 3-11 - Biodigestor contínuo modelo indiano (37)

53

Figura 3-12 - Biodigestor modelo indiano representação gráfica (38)

Por fim, referente à capacidade de produção diária do tanque digestor em função da

relação diâmetro x profundidade, pode-se mencionar o estudo de Gaspar (2003) (39), para

baixas profundidades:

Capacidade do Reator (m³) Dimensões do Reator

(diâmetro x profundidade)

Dimensões da Campânula

para Clima Tropical

(diâmetro x altura)

8 2,00 x 2,60 1,80 x 2,30

10 2,20 x 2,70 2,00 x 2,50

12 2,35 x 2,80 2,15 x 2,50

15 2,53 x 3,00 2,33 x 2,50

18 2,70 x 3,15 2,50 x 2,60

Relação Biomassa/Biogás: 2,4 m³ : 1m³ Tabela 3-9 - Biodigestores construídos em baixas profundidades (39)

No que diz respeito ao preço para emprego da tecnologia na propriedade, de acordo

com os autores Bonturi e Van Dijk (2012) (40), o gasto total seria da ordem de R$ 11.922,90,

trazidos a valores atuais. Os custos com materiais e escavações são discriminados a seguir:

54

Material Unidade Quantidade Preço Atual

Total %

Tijolo milheiro 5,75 231,1 1328,6 11,14

Cimento saca 48 25,3 1213,0 10,17

Areia grossa m³ 1 127,1 127,1 1,07

Areia fina m³ 3 69,3 207,9 1,74

Brita 2 m³ 1,5 85,9 128,9 1,08

Brita 1 m³ 0,5 85,9 43,0 0,36

Impermeabilizante 18 litros 1,5 61,8 92,7 0,78

Tubo PVC 150mm barra 2 153,7 307,3 2,58

Registro de esfera 50mm Unidade 1 47,2 47,2 0,40

Gasômetro peça 1 6094,0 6094,0 51,11

Mangueira cristal (3/4”) m 4 41,9 167,5 1,40

Ferro galvanizado (3/8”) Unidade 2 29,7 59,5 0,50

Tubo galvanizado Unidade 0,5 356,1 178,1 1,49

Junções Unidade 16 4,5 71,6 0,60

Registro de esfera 32mm Unidade 1 29,9 29,9 0,25

Tubo PVC 32mm barra 5 40,1 200,7 1,68

Tubo PVC 50mm barra 4 64,4 257,6 2,16

Outros 46,9 46,9 0,39

Total de materiais 32,5 10601,6 88,92

Escavação horas 2,5 86,6 216,6 1,82

Mão-de-obra pedreiro horas 20 39,0 779,8 6,54

Mão-de-obra ajudante horas 15 21,7 324,9 2,73

Total de serviços 1321,3 11,08

Total Geral 11922,9 100,00

Tabela 3-10 - Custo para construção de um reator modelo indiano (40)

Por fim, quanto ao tempo de retenção hidráulico do reator indiano, têm-se que, segundo

a autora Stachissini (2014) (36), esse varia na faixa de 40 a 60 dias.

3.7.4. Biodigestor Modelo CSTR

O biodigestor de tanque com agitação contínua, também conhecido como continuous

stirred-tank reactor (CSTR), segundo o autor Pereira (2017) (41), apresenta capacidade de

conversão de biomassa em metano superior a biodigestores tradicionais, porém, mostra-se de

complexa confecção. Caracteriza-se por dispor de um sistema para mesclar o conteúdo do

digestor de forma contínua ou periódica, através de equipamento mecânico, hidráulico ou

pneumático.

Segundo Rupf et al. (2016) (42), o reator apresenta tempo de retenção entre 20 e 30

dias, desde que o processo de biodigestão ocorra eficientemente na faixa mesofílica (entre 20

55

e 45°C). Neste tipo de reator normalmente considera-se uma mistura perfeita, o que faz com

que o produto na saída do reator tenha a mesma composição da mistura reacional dentro do

reator. Abaixo a Figura 3-13 - Representação esquemática de um biodigestor CSTR:

Figura 3-13 - Representação esquemática de um biodigestor CSTR (41)

De acordo com o Nazaro (2016) (9), no que se refere à concentração de sólidos

máximos efluentes, o substrato deve ter uma concentração de sólidos totais máxima em torno

de 12%, para evitar obstrução do tubo de carga e facilitar a circulação da biomassa.

Salomon (2007) (17), por sua vez, explora, nos reatores convencionais do tipo CSTR,

questões como o tempo de retenção celular (TRC), eficiência na remoção de DQO e as cargas

usuais afluentes a esse tipo de reator para usos domésticos a industriais. O TRC deve ser o

mesmo calculado para o TRH , portanto o menor TRH possível de se utilizar está limitado ao

tempo de geração média das bactérias limitantes do processo. Os reatores convencionais são

adequados para o tratamento de efluentes com altas concentrações de material biodegradável,

apresentando uma remoção de DQO na faixa de 80 a 95%. As cargas orgânicas usuais são da

ordem de 1 a 10 kg DQO/m³ dia.

3.7.5. Biodigestor Modelo UASB

O biodigestor de Manta de Lodo Anaeróbio de Fluxo Ascendente, também conhecido

como Upward-flow Anaerobic Sludge Blanket (UASB), segundo o autor Pereira (2017) (41),

caracteriza-se por ser um biodigestor de fluxo contínuo baseado em agitação no sentido

ascendente da corrente de rejeitos. O autor continua em sua análise, expondo o princípio de

funcionamento, bem como apresentando um dado sobre o seu rendimento de remoção de

matéria orgânica do substrato. Segundo Pereira (2017) (41), esse equipamento é denominado

de manta de lodo devido à capacidade de receber elevadas concentrações de biomassas, o que

favorece a redução do tempo de retenção hidráulica, tornando assim o sistema mais apropriado

para degradação biológica de resíduos líquidos, como efluentes agroindustriais e domiciliares.

Ainda segundo o autor, sua capacidade de conversão de biomassa em metano, segundo o

mesmo, supera modelos tradicionais, apresentando uma redução de 92% da DQO do substrato

em 22 dias.

56

O autor Almeida (2016) (13), por sua vez, aponta as características desse reator, no que

tange a sua constituição e materiais envolvidos, atividade dos microorganismos envolvidos e

locais de escoamento dos efluentes produzidos.

Segundo o autor, o reator é protegido por uma parede defletora, que serve como

interface da zona de digestão e de decantação, e é onde são realizados os processos de digestão

anaeróbia do substrato afluente. Seu volume é substancialmente reduzido, em decorrência da

concentração de biomassa elevada, isto comparado a outros sistemas de tratamento, e o gases

produzidos nessa unidade são destinados à parte superior interna, os quais são direcionados

para descarte ou reaproveitamento energético através de uma tubulação específica.

Quanto à matéria orgânica suspensa, ainda segundo Almeida (2016) (13), essa é

transformada pelas bactérias contidas no manto de lodo em produtos estáveis, como água,

biogás e outros elementos inertes. A parte sólida arrastada pelos gases retorna ao manto de lodo

após o desprendimento das bolhas geradas. O líquido segue para o decantador periférico e é

vertido para uma canaleta que coleta todo o efluente tratado e o conduz para o emissário. Este

emissário pode conduzir o efluente para um corpo receptor ou para um pós-tratamento. O lodo

excedente gerado no reator deve ser removido periodicamente para leitos de secagem e aterros

sanitários.

Garcia, et al. (2015) (43), por outro lado, assume uma posição mais conservadora

quanto à eficiência do reator em reduzir a DQO do substrato, trazendo como fator interveniente

na faixa de rendimento o pH, avaliação essa feita dentro de um contexto de parâmetros

operacionais de controle para os reatores UASB em questão. Segundo Garcia, et al. (2015)

(43), o controle operacional dos reatores UASB é efetuado em função da avaliação de três

parâmetros principais: a eficiência de remoção de matéria orgânica, a produção de biogás e a

acidez do meio.

No que tange a eficiência de remoção da DQO do substrato, Garcia, et al. (2015) (43)

expõe uma faixa adequada para uma conceituação teórica entre de 60% a 70%. Quanto à

produção de biogás, por sua vez, o autor traz uma ressalva, destacando a necessidade de

consideração da possibilidade de até 40% do biogás produzido no processo de digestão

anaeróbia permanecer dissolvido na massa líquida, além de trazer um dado teórico de que,

aproximadamente, 1,0 kg de DQO consumida deve produzir 0,35 Nm³ de metano. Por fim,

quanto ao pH do reator, deve-se apresentar um pH entre 6,5 e 7,5 na fase metanogênicas,

expondo que para o caso de o pH ficar abaixo desta faixa poder se inferir que o reator esteja na

fase acidogênica, levando a uma concentração de ácidos voláteis acima de 500 mg ácido

acético/L, geralmente em função de um desequilíbrio entre a carga aplicada e a biomassa no

reator. Neste caso é aconselhável reduzir a carga orgânica e não realizar o descarte do lodo até

que o pH se normalize. Em casos extremos é possível controlar o pH com a aplicação de

produtos químicos alcalinos.

Quanto ao custo de implantação da tecnologia, a empresa Rotosis comercializa seu

modelo de 1.300 l, capaz de atender até 10 pessoas, segundo a própria companhia, a R$ 1.650

(44), contando com uma eficiência no tratamento do efluente estimada na faixa de 75% a 90%.

Abaixo uma representação gráfica do reator pela própria companhia:

57

Figura 3-14 - Representação do funcionamento de um reator UASB (44)

Figura 3-15 - Reator UASB da marca Rotosis (44)

58

3.7.6. HomeBiogas

O produto se diferencia pela praticidade de montagem, a qual pode ser feita pelo próprio

consumidor por se tratar de uma unidade pré-fabricada, dimensões reduzidas: 1,27 m x 1,65 m

x 1,0 m, segundo o site do fabricante HomeBiogas (45). No que tange o tempo de retenção

hidráulica, segundo Bleicher, et al. (2017) (46), a unidade conta com um tempo de retenção

hidráulica de, aproximadamente, 21 dias.

De acordo com o site da empresa (45) o produto pode ser adquirido por US$ 520,00

dólares, ou aproximadamente R$ 2.012,40 pelo câmbio de US$ 3,87 referente ao dia 06/07/18.

Figura 3-16 - Visão geral do processo produtivo do HomeBiogas (45)

Figura 3-17 -Vista do HomeBiogas, com ênfase para o tubo de condução do biogás produzido, bem como do

tubo de PVC de destino do biofertilizante

Para o HomeBiogas funcionar é necessário colocar os resíduos no coletor, após isso

estes serão direcionados para o compartimento onde ocorrerá o processo de digestão pelas

bactérias, com isso será produzido o biogás e este é armazenado no topo do equipamento. A

partir disso, pode-se usar o biogás produzido para cocção ou produção de energia elétrica. A

seguir a figura apresenta um esquema simplificado do funcionamento.

59

Figura 3-18 - Imagem explicativa funcionamento HomeBiogas (47)

No que tange a manutenção, o site da empresa (45) recomenda substituir o filtro de gás

uma vez por ano, remoção do lodo que se acumulam na parte inferior do tanque de digestão

uma vez a cada cinco anos, o qual pode ser aplicado diretamente ao jardim como fertilizante e

substituição do comprimido de cloro, dentro do reator, periodicamente.

3.7.7. Recolast Ambiental Biodigestor Tubular - 3000

O modelo Tubular – 3000, segundo a fabricante (48), é um sistema que acelera o

processo de decomposição orgânica. O tratamento acontece quando as bactérias anaeróbicas

fermentam e liberam biogás, além de biofertilizante e calor. Os resíduos ficam por 30 dias

dentro do biodigestor e a produção de matérias naturais depende do tipo e da quantidade de

matéria orgânica. Tem dimenção de 1,0 m x 1,40 m x 3,40 m. Abaixo a Figura 3-19 - Imagem

do Biodigestor Tubular 3000 da Recolast.

60

Figura 3-19 - Imagem do Biodigestor Tubular 3000 da Recolast

As especificações técnicas do Biodigestor Tubular 3000 da Recolast são, segundo o

fabricante (48):

Confeccionado em laminado de PVC flexível com divisórias internas para

melhor movimentação dos resíduos;

Possui válvulas de alívio para manter a pressão no biodigestor;

Tubulação de entrada, saída e limpeza;

Lagoa aeróbica: é um reservatório impermeabilizado com geomembrana para

armazenamento biofertilizante que sai do biodigestor.

Também é possível alguns itens adicionais, que são:

DGD – dispositivo gerador de descarga

Flare (Queimador) – queima o gás gerado em excesso.

A solução fornecida pela Recolast Ambiental tem por vantagem a fabricação doméstica,

o que garante a não incidência de impostos advindos da importação, uma vez que as demais

soluções de prateleira não são comercializadas no Brasil. O modelo tubular – 3000, segundo a

área de vendas da empresa (48), é comercializado a R$ 2.779,86.

3.7.8. Mailhem Ikos Environment Portable Biogas Plant

O sistema “Portable Biogas Plant” mostra-se mais adequado para o emprego em

ambiente residencial por se tratar de uma planta portátil de biogás com partes de menor

dimensão. De acordo com o site do fabricante Mailhem Ikos Environment Ltda. (49) a unidade

conta com o seguinte conjunto de peças e acessórios:

Digestor

Regulador de pressão

Tubos de entrada do substrato

Tubos de saída do gás

Cúpula flutuante para armazenamento do biogás acima do reator projetada abrigar

o biogás provindo dos materiais de resíduos biodegradáveis gerados em ambiente

residencial

Caldeira para aquecimento do fluido intermediário, utilizando como combustível o

gás metano produzido

61

Essas plantas atendem os seguintes propósitos:

Eliminação ecológica de resíduos biodegradáveis

Geração de gás metano

Geração de biofertilizante para emprego no plantio, o qual é importante para

reabastecer recursos naturais que diminuam rapidamente de solos produtivos

Proteção ambiental, ajudando na manutenção de ciclos elementares na natureza

De acordo com a Mailhem Ikos Environment (49), o processo se inicia com a inserção

do material orgânico no triturador, o qual é misturado com água para alcançar a concentração

desejada, obtendo-se, assim, o substrato com a relação de sólidos totais por unidade de volume

ideal. Após o processo de trituração, o substrato é bombeado para a parte inferior do reator, o

qual conta com módulos que auxiliam a decantação dos sólidos no interior dos biodigestores,

retendo assim material particulado no interior do reator.

Na parte superior do biodigestor inclui-se um dispositivo de emulsificação da escuma.

O biogás gerado, por sua vez, é coletado em um balão externo, o qual se infla conforme há a

produção do gás. Por fim, há a queima do gás metano produzido para a produção de energia

elétrica e, em caso de produção excedente, há a queima do mesmo em um flare para que o gás

metano não seja direcionado para a atmosfera, em caso de produção acima da demanda, o que

poderia causar um GWP de vinte uma vezes a contribuição relativa ao gás carbônico, de acordo

com dados do Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação em seu relatório de Estimativas

Anuais de Emissões de Gases do Efeito Estufa no Brasil (2014) (2).

Figura 3-20 - Mailhem Ikos Environment Portable Biogas Plant (49)

62

3.7.9. EUCOlino

Segundo o site do fabricante Bioferm Energy Systems (50) o EUCOlino é uma

tecnologia de dimensões 15,24m x 3,35m x 3,35m e capacidade para digerir 96 m³ de resíduos.

O digestor anaeróbico EUCOlino usa resíduos orgânicos variados, como esterco bovino, sobras

de alimento e resíduos de jardinagem, para criar energia renovável e subprodutos com

quantidades limitadas de biomassa, operando a temperatura mesofílica. É pré-fabricado e

enviado para chegar no local como uma unidade completa, pré-montada em contentores.

O sistema opera normalmente de 1.000 a 6.000 toneladas de resíduos orgânicos por ano,

dependendo das especificidades do projeto, sendo aplicável em:

Municípios

Campus

Estações de tratamento de águas residuais

Zoológicos

Cervejarias

As principais vantagens do produto são o uso flexível de matéria-prima e o sistema de

produção de energia elétrica acoplado com a possibilidade de gerar de 50 – 100 kW por dia.

Os componentes do sistema incluem: unidade de digestor com misturador, bombas,

dessulfurização, motor de mistura e controles de planta, alimentador para substratos sólidos

(opcional) e separador de pré-digestão para tornar o substrato mais concentrado. Abaixo uma

descrição gráfica na Figura 3-21 - Representação gráfica das unidades do sistema de

biodigestão e geração de energia elétrica EUCOlino:

Figura 3-21 - Representação gráfica das unidades do sistema de biodigestão e geração de energia elétrica

EUCOlino (50)

63

O sistema de alimentação recebe resíduos, os quais são triturados e misturados com

água para formar um substrato com teor de sólidos de aproximadamente 15% sólidos totais. O

tanque digestor, por sua vez, conta com um sistema de agitadores que move o substrato ao

longo do biodigestor em um tempo de retenção hidráulico de vinte e oito dias. A câmara de gás

é a unidade que armazena o biogás produzido durante o processo de fermentação, contando

com uma capacidade de armazenamento de 25 m³ a 50 m³, instalado acima do reator de

digestão.

3.8. PURIFICAÇÃO DO BIOGÁS

A Resolução n° 8 de 30 de janeiro de 2015, estabelecida pela ANP (14), determina as

especificações do biometano, refinado à partir do biogás gerado por processos de anaerobiose

de resíduos orgânicos agrossilvopastoris, comerciais ou residenciais, para emprego em usos

veiculares na forma de GNV ou GN para o aproveitamento residencial voltado para a cocção e

aquecimento.

Segundo essa resolução, o biometano deve apresentar concentrações limitadas de

componentes potencialmente corrosivos, de modo a assegurar a integridade dos equipamentos

envolvidos. As especificações previstas na Resolução n° 8 de 30 de janeiro de 2015,

estabelecida pela ANP (51) seguem abaixo:

Características Unidade Limite

Região Norte –

Urucu

Demais Regiões

Metano % mol 90,0 a 94,0 96,5 mínimo

Oxigênio, máximo. % mol 0,8 0,5

CO2, máximo. % mol 3,0 3,0

CO2 + O2 + N2,

máximo.

% mol 10,0 3,5

Enxofre Total,

máximo.

mg/m3 70 70

Gás Sulfídrico

(H2S), máximo.

mg/m3 10 10

Ponto de orvalho de

água a 1 atm,

máximo.

°C -45 -45

Tabela 3-11 - Especificações para o Biometano (51)

O biogás, segundo Freddo (2017) (52), deve passar por processos de dessulfurização e

secagem para que possa ser aproveitado para a produção de energia elétrica, bem como venha

a substituir o consumo de GLP e GN em residências para cocção e aquecimento.

Ainda segundo a autora (52), a elevação da qualidade do biogás, para que possa ser

aproveitado nas mesmas aplicações próprias ao GN/GLP, deve passar por um processo de

redução da concentração de gás dióxido de carbono e sulfeto de hidrogênio, os quais,

64

respectivamente, afetam a eficiência da combustão do biogás e causa a corrosão a corrosão de

estruturas metálicas em instalações de biogás, o que causa desgastes aos motores e

equipamentos acoplados, e consequentemente, aumentos nos custos de depreciação e

manutenção, em função das reações químicas envolvidas no processo.

De acordo com Freddo (2017) (52), o termo “purificação de biogás” é empregado para

denotar a remoção de dióxido de carbono do biogás, visando produzir um gás com alto teor de

gás metano, bem como controlar a concentração de sulfeto de hidrogênio, aumentando a

segurança em casos de inalação e reduzindo efeitos adversos de corrosão sobre componentes

metálicos, equiparando o gás obtido ao gás natural e sendo possível substituí-lo em diversas

aplicações.

Dentre as formas possíveis de remoção do dióxido de carbono, ainda segundo a autora

(52), destacam-se os Lavadores de Gases (Water Scrubbing), com água ou solventes orgânicos,

e a adsorção com modulação de pressão (Pressure Swing Adsorption – PSA), a qual emprega

carvão ativado ou peneiras moleculares como adsorventes, sendo esse último aplicáveis à

purificação de grandes plantas de produção de biogás, as quais fogem ao escopo do trabalho.

A seguir serão exploradas as tecnologias dedicadas à remoção de gás dióxido carbônico

e hidróxido de sulfeto para obtenção do gás purificado de interesse.

3.8.1. Absorção com Líquidos

Segundo a autora Freddo (2017) (52), o processo de absorção do gás por meio de

líquidos se dá por meio de uma corrente de efluente gasoso contendo o poluente colocada em

contato com um líquido no qual se dissolverá graças à sua solubilidade, influenciada por fatores

como pressão, temperatura e a razão entre solvente e soluto. O mecanismo pelo qual a espécie

é removida consiste em três etapas que ocorrem em série:

1. Difusão das moléculas poluentes através do gás para a superfície do líquido

absorvente

2. Dissolução no líquido na interface líquido-gás efluente

3. Difusão das espécies dissolvidas da interface para o corpo do volume líquido

O solvente mais comumente utilizado é a água, entretanto a adição de produtos

químicos pode aumentar a eficiência do processo de absorção, resultando em um menor

dispêndio de água e energia no processo

3.8.2. Lavador de Gases (Water Scrubbing) – Absorção Física

De acordo com a autora Freddo (2017) (52), os lavadores de gases (Water Scrubbing)

são comumente utilizados na purificação do biogás, removendo dióxido de carbono em função

de sua solubilidade em água; processo no qual, mistura-se água e biogás sob pressão, em

contracorrente, em uma coluna contendo recheio para maximizar a área de contato entre o

líquido e o gás. O processo convencional de absorção líquido/gás tem sido mais frequentemente

65

utilizado para separação do gás dióxido de carbono do biogás, baseando-se na diferença de

solubilidade entre o dióxido de carbono o gás metano, que é dependente de fatores como

pressão, temperatura e a razão líquido/gás. A água é o solvente mais utilizado em função do

seu baixo custo.

Ainda segundo a autora (52), em lavadores de gases, o biogás é pressurizado e

alimentado na parte inferior da coluna de absorção e a água é injetada na parte superior, o que

proporciona ao sistema um fluxo de contracorrente de gás e líquido, mostrando-se fundamental

para garantir uma alta eficiência. O dióxido de carbono e uma pequena parcela do metano, com

isso, são fisicamente absorvidos na água. A seletividade do processo depende da solubilidade

elevada do dióxido do carbono, em relação ao metano, cerca de vinte e cinco vezes superior.

A água rica em dióxido de carbono é então encaminhada para uma coluna de regeneração onde

a maior parte do dióxido de carbono é liberada a partir da injeção de ar ou modulação de

pressão. Após regeneração, a água é novamente enviada para o sistema de absorção. O esquema

representativo do sistema de water scrubbing é apresentado na figura Figura 3-10 -

Representação do funcionamento de um regulador de pressão.

Figura 3-22 - Diagrama básico do funcionamento de sistemas Water Scrubbing (52)

O hidróxido de cálcio, segundo Freddo (2017) (52), é um composto químico de fácil

acesso, sendo por isso utilizado nos lavadores de gases para compensar a elevação do pH,

resultando em operações com baixos custos operacionais. As principais desvantagens do uso

desta solução são controlar sua consistência e remoção de grandes quantidades de precipitado

(CaCO3) do tanque de mistura e do lavador. Normalmente é necessário remover todos os

sedimentos e partículas em suspensão, a fim de evitar a obstrução de bombas, bicos de

pulverização de alta pressão e borbulhadores nas colunas de absorção e regeneração.

Ainda segundo a autora (52), para a operação é necessário o controle do pH durante o

funcionamento do sistema, recomendando-se a adição de um corpo básico para aumento do pH

e compensação da queda provocada, principalmente, pela oxidação de sulfeto de hidrogênio no

66

meio. O uso do sistema de water scrubbing gera um auto teor de pureza de metano, de 80% a

99% do volume total, dependendo do grau de impurezas que não irão ser removidos, como N2

e O2. Esse processo também pode ser utilizado para a remoção de baixas concentrações de

sulfeto de hidrogênio, o que se mostra aplicável para aplicação residencial em voga, uma vez

que a concentração do composto se configura entre 0,1% e 0,5% da composição total do biogás.

3.8.3. Solução de Hidróxido de Sódio

Segundo Freddo (2017) (52), a solução de hidróxido de sódio tem alta capacidade de

remoção de hidróxido de sulfeto e gás dióxido de carbono, uma vez que eleva a absorção física

da água pela reação química com hidróxido de sódio. Esta reação resulta na formação de sulfeto

de sódio e hidrossulfeto de sódio.

Devido ao seu alto requisito técnico para lidar com a solução, este método dificilmente

é aplicado, exceto quando são tratados grandes volumes de gás ou na existência de altas

concentrações de hidróxido de sulfeto, considerações essas que fogem ao escopo do presente

trabalho.

A vantagem dessa técnica em relação ao lavador de gases (water scrubbing), de acordo

com o trabalho da autora (52), é um menor requisito de volumes nas colunas de absorção e

regeneração, além de uma menor demanda por bombeamento. A desvantagem, por sua vez, é

a disposição de grandes volumes de água contaminada com sulfeto de sódio em grandes plantas

de produção de biogás.

3.8.4. Sistema de Tratamento de Biogás com Solução de Ca (OH)2

Na Figura 3-23 - Sistema experimental para tratamento de biogás em escala de bancada,

a autora Freddo (2017) (52) apresenta a disposição do aparato experimental para

encaminhamento da avaliação do rendimento de tratamento do biogás, objetivando a conversão

em purificação do gás com o auxílio do hidróxido de cálcio como agente compensador da

redução do pH inerente do processo.

67

Figura 3-23 - Sistema experimental para tratamento de biogás em escala de bancada

Neste sistema, de acordo com a autora (52), o biogás é enviado para um lavador de gás

contendo uma solução responsável por promover o tratamento do biogás. As dimensões e

propriedades do lavador de biogás são dispostas a seguir:

Característica Lavador de gás 500 mL

Material Vidro

Altura total do lavador 21,5 cm

Altura útil 15,0 cm

Diâmetro do lavador 6,5 cm

Diâmetro do borbulhador 1,1 cm

Volume total 645 mL

Volume útil 500 mL Tabela 3-12 - Características do lavador utilizado no experimento (52)

O ensaio contou com as seguintes condições experimentais:

Parâmetros Valores Unidades

Temperatura ambiente 32,4 °C

Temperatura da solução 30,0 °C

Vazão de biogás 0,45 a 0,5 L/min

Vazão de biogás 0,65 a 0,72 m³/dia

Volume da solução 500 mL

Concentração 0,250 Mol/L

Concentração 18,5 g/L

pH da solução 12,53 Tabela 3-13 - Condições experimentais para os ensaios com Ca(OH)2 (52)

68

A utilização da solução de hidróxido de cálcio no tratamento de biogás teve uma

eficiência na remoção de dióxido de carbono de 91,45% e 100% de sulfeto de hidrogênio,

segundo Freddo (2017) (52), o que permite a purificação do biogás e consequente substituição

do GN/GLP para os fins de geração de energia elétrica ou substituição em uma residência para

processos de aquecimento e cocção.

3.8.5. Remoção de H2S com Óxido de Ferro

Segundo o autor Mercado (2010) (53), a remoção de sulfeto de hidrogênio utilizando

óxidos de ferro ocorre pela formação de sulfeto de ferro insolúvel. A formação de enxofre

coloidal por meio da inserção de ar atmosférico na coluna de dessulfurização prolonga o tempo

de vida do material e a regeneração deste, porém o leito pode ser obstruído pelo enxofre gerado,

devendo ser substituído periodicamente. Nesta técnica, de acordo com Mercado (2010) (53)

geralmente são impregnados pequenos pedaços de madeira com o óxido de ferro, Fe2O3 ou

Fe3O4, e insere-se estes pedaços na coluna de dessulfurização, onde entram em contato com o

sulfeto de hidrogênio. As equações a seguir demonstram a sequência de reações envolvendo o

Fe2O3 (óxido de ferro III) e o H2S.

𝐹𝑒2𝑂2 + 3𝐻2𝑆 → 𝐹𝑒2𝑆3 + 3𝐻20

𝐹𝑒2𝑆3 +3

2𝑂2 → 𝐹𝑒2𝑂3 + 3𝑆

Equação 3-26 – Dessulfurização do biogás

Ainda segundo o autor (53), as lascas impregnadas com óxido de ferro têm uma maior

relação superfície-volume e uma menor relação superfície-peso que a limalha de ferro, outra

solução muito comumente empregada para a remoção de sulfeto de hidrogênio em pequenas e

médias plantas de produção, devido à baixa densidade da madeira. Cerca de 20 gramas de H2S

podem ser removidos utilizando 100 gramas de lascas de madeira impregnadas com óxido de

ferro, de acordo com o estudo de Mercado (2010) (53).

3.9. GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA A PARTIR DA CONVERSÃO DO

BIOGÁS

3.9.1. Conversão Energética do Biogás

De acordo com o trabalho de Winck (2012) (54), a conscientização do governo

brasileiro para com a questão da produção de energia elétrica através de fontes renováveis é

recente, tendo por marco a criação do Departamento de Energia e lançamento de cinco

programas de energia (solar, hidrogênio, eólico, carvão mineral, biomassa e eficiência

energética), em meados dos anos 70, pela FINEP, Financiadora de Estudos e Projetos, a qual

69

financia a inovação, desde a pesquisa básica até a preparação do produto para o mercado. O

objetivo desse programa era a criação de grupos de pesquisa que pudessem atuar no

aprimoramento de tecnologias de produção de energia, baseadas em fontes renováveis, que

pudessem ser levadas ao mercado amplo. A biomassa, ainda segundo o autor, representou 38%

dos projetos e 28% da captação de fundos para pesquisa entre 1982 e 1993.

Atualmente, de acordo com Winck (2012) (54), o uso de biomassa tem sido crescente,

com emprego majoritário como fonte de energia térmica, mas com importância relevante

também na geração de energia elétrica. No que tange a produção de energia elétrica no Brasil,

o modal de biomassa representa 3% do total, segundo dados do próprio autor. Para tanto, as

principais tecnologias envolvidas no processo de produção de energia elétrica a partir do biogás

são, segundo Macedo (2001) (55) as seguintes:

Geração em pequena escala (menor que 1MW): os sistemas pode ser à vapor

(alternativos, ou mesmo à turbina) ou utilizar tanques reatores para biomassa,

que produzirão gás metano, acoplados a motores de combustão (Diesel e Otto)

Geração em escala média/grande (da ordem de dezenas de MW produzidos):

trabalham com ciclos a vapor, tecnologia amplamente empregada nas

agroindústrias de cana-de-açúcar e celulose. A eficiência desse modal é

totalmente dependente do nível de pressão utilizado e do uso de co-gerador total

ou parcial

Geração em escala média/grande (da ordem de dezenas de MW): os sistemas

empregados são produção de gás metano, a partir do substrato de biomassa,

combinado com turbinas a gás

A seguir, uma caracterização dos modais de produção de energia elétrica: turbina à gás,

turbinas à vapor, ciclo combinado e motor de combustão interna, com base no trabalho do autor

Winck (2013) (54), bem como na pesquisa de outros autores.

3.9.1.1. Turbinas a Gás

Segundo Garcia et al. (2014) (43), a conversão de energia consiste no processo de

transformação entre tipos de energia visando o aproveitamento do potencial gerado. O biogás

contém energia armazenada nas ligações moleculares do metano, podendo ser convertida em

energia elétrica ao passar por um processo de combustão controlada, movendo uma turbina que

ativará um gerador, convertendo assim a energia mecânica em elétrica. A faixa de operação

para esse tipo de tecnologia, segundo Winck (2012) (54), varia de 100kW a 180 MW.

Ainda segundo o autor, as turbinas à vapor possuem grande vantagem comparada com

motores de combustão interna, uma vez que nelas há a ausência de movimentos alternativos e

de atrito entre superfícies metálicas, como o movimento do pistão e do interior dos cilindros,

por exemplo, levando, consequentemente, a uma economia em óleo lubrificante.

Segundo Garcia et al. (2014) (43), as turbinas a gás permitem maior eficiência global

na conversão elétrica quando operadas em cogeração de calor e eletricidade. A turbina a gás,

representada na Figura 3-24 - Turbina a gás em corte , é composta por um compressor de ar,

câmara de combustão e a turbina propriamente dita. O funcionamento se dá pelo giro do motor,

que aspira o ar para dentro do compressor, elevando sua pressão, ao mesmo tempo em que é

70

misturado ao combustível dentro da câmara de combustão. A mistura de gases é queimada em

pressão constante, aumentando a temperatura dos gases, desta forma é gerada a energia

primária do sistema, posteriormente os gases produtos da combustão são expandidos na

turbina, movimentando-a e transformando a energia térmica em mecânica, sendo que parte dela

é utilizada para girar o compressor. O sistema composto por compressor, câmara de combustão,

turbina e gerador elétrico denomina-se “micro-turbina” para potência desenvolvida abaixo de

250 kW.

A turbina a gás segue o ciclo de Brayton, representado na Figura 3-25 - Ciclo de Brayton

para uma turbina a gás :

Figura 3-24 - Turbina a gás em corte (43)

71

Figura 3-25 - Ciclo de Brayton para uma turbina a gás (43)

3.9.1.2. Turbina à Vapor

De acordo com o trabalho de Winck (2013) (54), uma máquina motora à vapor

transforma a energia, contida no fluxo contínuo de vapor que recebe em trabalho mecânico,

acionando, assim, um equipamento de geração de energia elétrica.

Ainda segundo o autor, a tecnologia é apropriada para grandes instalações, acima de 20

MW, como indústrias de papel e celulose, refinarias, indústria química, entre outras. A grande

difusão dos sistemas de cogeração com turbinas a vapor pode ser parcialmente atribuída às

vantagens da longa vida útil e à adequação desses equipamentos ao uso de uma grande

variedade de combustíveis.

Segundo Garcia et al. (2014) (43), o sistema de turbina à vapor, em detrimento do

sistema de turbinas a gás, apresenta a desvantagem de utilizar um fluido intermediário para

acionar o compressor, possuindo, assim um tamanho significativamente maior ao primeiro.

Nessa tecnologia de geração de energia elétrica, baseada no ciclo de Rankine, trabalha

bombeando o fluido, aumentando assim a pressão. Em uma caldeira o fluido é aquecido à

pressão constante até tornar-se vapor, o qual movimenta uma turbina ao redor do seu eixo e

fornece energia para a bomba do fluido de trabalho; o vapor então entra em um condensador e

resfria-se, voltando na forma líquida para a bomba em um ciclo fechado. Essa modalidade de

geração de energia elétrica apresenta por desvantagem, além do maior espaço ocupado e uso

de um fluido intermediário, o menor rendimento na conversão de calor para eletricidade, em

comparação ao sistema de turbina a gás.

Abaixo, a Figura 3-26 - Esquema de uma turbina a vapor (54) apresenta uma

representação gráfica para o tópico, contida no trabalho de Winck (2012) (54):

72

Figura 3-26 - Esquema de uma turbina a vapor (54)

3.9.1.3. Motor de Combustão Interna

De acordo com Winck (2013) (54), esta tecnologia apresenta por vantagens um

rendimento térmico superior às demais tecnologias expostas, o arranque rápido e a elevada

eficiência mecânica, além de ser uma solução mais adequada para pequenas instalações.

Quanto às desvantagens, essa tecnologia apresenta um tempo de vida útil curto, custos de

manutenção elevado (incluindo frequentes inspeções) e graves restrições associadas à

recuperação do calor quando instalada em regiões caracterizadas por baixas temperaturas.

Quanto ao modo de funcionamento do motor de combustão interna, ainda segundo o

autor, têm-se uma mistura do ar atmosférico ao combustível na câmara de combustão, onde

ocorre a explosão para movimentação cíclica do pistão, produzindo assim energia mecânica.

Esse trabalho desenvolvido pelo motor é usado para acionar um gerador elétrico, com o intuito

de produzir energia elétrica. Esse tipo de tecnologia utiliza como combustível mais

frequentemente o gás natural, propano, butano, biogás e gás de síntese nafta química e tem

rendimento aproximado de 25%.

Abaixo a Figura 3-27 - Gerador elétrico com combustão interna (56), com uma

representação gráfica do exposto em acordo com o trabalho do autor Winck (2013) (54):

73

Figura 3-27 - Gerador elétrico com combustão interna (56)

3.9.2. Capacidade de Geração de Energia Elétrica a Partir do Biogás

De acordo com Almeida (2016) (13), para o cálculo da potência energética disponível

no biogás colhido pode-se utilizar a seguinte metodologia:

𝑃𝐸 =𝑄metano × 𝑃𝐶𝐼𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 × 𝜂𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 × 4,1868

86.400

Equação 3-27 - Potência disponível no gás biogás para geração de energia (13)

Onde PE refere-se à potência elétrica gerada em kW, Qmetano, por sua vez, refere-se à

vazão (produção média) do metano em m³/d, ao passo que PCImetano diz respeito ao poder

calorífico do gás metano (kcal/m³), ηgerador refere-se ao rendimento do motor, 4,1868 ao fator

de conversão de kcal para kJ, onde 1 kJ/s equivale a 1 MW e 86.400 a um fator de conversão

de segundos para dias.

De acordo com o autor, o poder calorífico inferior do biogás é de 5.500 kcal/m³, ao

passo que o rendimento do gerador é de, aproximadamente, 30% para a tecnologia de micro-

turbina escolhida.

Para cálculo da energia disponível pode-se utilizar a seguinte equação, segundo Garcia

et al. (2014) (43):

𝐸 = 𝑃𝐸 × 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎çã𝑜

Equação 3-28 - Cálculo da energia disponível no biogás em MWh/dia (43)

Onde PE refere-se à produção elétrica gerada em kW, ao passo que tempo de operação refere-

se a um período de 24h devido a operação permanente considerada no presente trabalho, com

isso obtém-se a energia elétrica produzida diariamente.

74

4. MATERIAIS E MÉTODOS

O presente trabalho versa sobre o delineamento de uma ferramenta, baseada em

plataforma Microsoft Excel 2016 ®, a qual por meio de entradas do usuário, possa prever a

quantidade de biogás produzida, bem como a concentração de gás metano no mesmo, em um

reator de uso residencial. Com esse gás metano gerado a ferramenta buscará inferir sobre o

potencial de utilização do mesmo para cocção, aquecimento de chuveiros à gás e produção de

energia elétrica para habitantes brasileiros em um meio urbano. Para tanto, faz-se necessário

determinar nesse ponto do trabalho o modelo teórico de produção de gás metano, a partir do

substrato orgânico de dejetos urbanos residenciais em meio urbano brasileiro, escolha da

tecnologia de geração de energia elétrica a partir do biogás, estruturação dos critérios de

avaliação da matriz de decisão para avaliação das alternativas de reatores anaeróbios, bem

como os pesos de cada um desses para a atribuição da nota final e escolha da solução adequada,

a partir de prós e contras elencados.

No que diz respeito aos métodos de cálculo do potencial teórico de geração de biogás:

3.6.1. Geração Teórica de Biogás por Demanda Química de Oxigênio, 3.6.2. Geração Teórica

de Biogás por Concentração de Sólidos Voláteis, 3.6.3. Geração Teórica de Biogás por

Concentração de Proteínas, Gorduras e Carboidratos Digestíveis, 3.6.4. Teste Bioquímico de

Metano e 3.6.5. Geração Teórica de Biogás pelo Método de Buswell, o método escolhido para

o modelo teórico é o 3.6.1. Geração Teórica de Biogás por Demanda Química de Oxigênio

devido à maior abordagem em literaturas técnicas quanto ao seu emprego em uma modelagem

teórica, em detrimento dos demais modelos abordados, bem como a simplicidade quanto às

entradas por parte do usuário, que deverá conter apenas o número de habitantes na residência

em estudo.

Quanto ao reator de anaerobiose para produção de biogás, temos as seguintes soluções

abordadas no levantamento bibliográfico: 3.7.2. Biodigestor Modelo Chinês, 3.7.3. Biodigestor

Modelo Indiano, 3.7.4. Biodigestor Modelo CSTR, 3.7.5. Biodigestor Modelo UASB, 3.7.6.

HomeBiogas, 3.7.7. Recolast Ambiental Biodigestor Tubular - 3000, 3.7.8. Mailhem Ikos

Environment Portable Biogas Plant, 3.7.9. EUCOlino, dentre as quais foi apontada como

solução ótima para o problema abordado o 3.7.6. HomeBiogas, segundo a matriz de decisão,

através de critérios ambientais, econômicos e técnicos.

Quanto ao tratamento do biogás para purificação do mesmo, dentre as soluções

possíveis de emprego 3.8.1. Absorção com Líquidos, 3.8.2. Lavador de Gases (Water

Scrubbing) – Absorção Física, 3.8.3. Solução de Hidróxido de Sódio, 3.8.4. Sistema de

Tratamento de Biogás com Solução de Ca (OH)2 e 3.8.5. Remoção de H2S com Óxido de Ferro,

temos que a mais adequada, do ponto de vista econômico, para o emprego em uma residência

urbana para tratamento do biogás produzido em baixa escala é a 3.8.5. Remoção de H2S com

Óxido de Ferro utilizando lascas de madeira impregnadas com óxido de ferro.

No que diz respeito à tecnologia de geração de energia elétrica, dentre as possíveis

alternativas elencadas: 3.9.1.1. Turbinas a Gás, 3.9.1.2. Turbina à Vapor e 3.9.1.3. Motor de

Combustão Interna, a mais adequada para o problema apresentado é a 3.9.1.3. Motor de

Combustão Interna, uma vez que essa se mostra aplicável para a geração em pequena escala

75

(menor que 1MW), inerente à produção domiciliar, tem seu espaço menor em relação as

turbinas, e é economicamente mais acessível para o cenário proposto.

A Figura 4-1- Critérios de avaliação das alternativas para a solução do problema,

estrutura os méritos de avaliação de cada alternativa de reator apresentada, visando elencar as

soluções que poderiam ser empregadas dentre as alternativas possíveis para o aproveitamento

da biomassa.

As soluções, obtidas segundo os critérios apresentados, serão então exploradas na

ferramenta, baseada em plataforma Microsoft Excel 2016 ®. Abaixo os fatores de avaliação

discriminados em grupos:

Figura 4-1- Critérios de avaliação das alternativas para a solução do problema

No que tange os critérios ambientais, segundo Sánchez (2013) (57), esses são, em

síntese, definidos como alterações no meio físico, biótico e social, conforme transcrito de seu

livro, definição essa que será utilizada para orientar a caracterização dos critérios de ordem

ambiental escolhidos:

“Pode-se [...] postular que impacto ambiental pode ser causado por uma ação humana [relevante] que implique:

1. Supressão de certos elementos do ambiente, a exemplo de:

a. Supressão de componente do ecossistema, como vegetação;

b. Destruição completa de hábitats (por exemplo, aterramento de um mangue);

Critérios de Avaliação

Critérios Ambientais

Impacto físico

Impacto biótico

Percentural de redução de matéria

orgânica

Critérios Econômicos

Custo total de investimento na

tecnologia

Custo médio de encerramento da

tecnologia

Critérios Técnicos

Tempo de retenção hidráulico

Tempo de instalação

Possibilidade de auto-

instalação

Isolamento térmico

Volume

ocupado

Produtividade

Possibilidade de aquecimento

76

c. Destruição de componentes físicos da paisagem (por exemplo, escavações);

d. Supressão de elementos significativos do ambiente construído;

e. Supressão de referência física à memória (por exemplo, locais sagrados, como cemitérios,

pontos de encontro de membros de uma comunidade);

f. Supressão de elementos ou componentes valorizados do ambiente (por exemplo, cavernas,

paisagens notáveis)

2. Inscrição de certos elementos no ambiente, a exemplo de:

a. Introdução de uma espécie exótica;

b. Introdução de componentes construídos (por exemplo, barragens, rodovias, edifícios, áreas

urbanizadas)

3. Sobrecarga (introdução de fatores de estresse além da capacidade de suporte do meio, gerando

desequilíbrio), a exemplo de:

a. Qualquer poluente;

b. Introdução de uma espécie exótica (por exemplo, coelhos na Austrália);

c. Redução do hábitat ou da disponibilidade de recursos para uma dada espécie (por exemplo,

impacto dos elefantes na África contemporânea);

d. Aumento da demanda por bens e serviços públicos (por exemplo, educação, saúde)

À Luz de todas essas considerações, o conceito de impacto ambiental adotado neste livro será “alteração da

qualidade ambiental que resulta da modificação de processos naturais ou sociais provocada por ação humana. ”

(Sánchez, 1998a). ”

Quanto aos critérios ambientais explorados, têm-se:

Impacto físico: critério que, no escopo do trabalho, determina a necessidade de

terraplanagem e escavações, impactando assim o relevo do local a ser implantado o

empreendimento

Impacto biótico: representa a perda de biodiversidade da fauna e da flora e dos seus

habitats

Percentual de redução de resíduos pós-tratamento: concentração de lodo gerada

após o processo, o qual deverá passar por um manejo ambiental adequado

Os critérios econômicos, por sua vez, abrangem:

Custo total de investimento na tecnologia: valor financeiro dispendido com o capital

imobilizado por meio de mão de obra para instalação, materiais para montagem ou

compra de soluções comerciais de prateleira

Custo médio de encerramento da tecnologia: valor dispendido para abandonar a

produção de energia por esse modal

Aos critérios técnicos, por fim, compete os seguintes pontos de avaliação:

Tempo de retenção hidráulico: esse critério está intimamente ligado com a

otimização do tempo para desenvolvimento do processo de biodigestão sem que

haja a lavagem dos microrganismos anaerobióticos em tempo menor ao de

reprodução dos mesmos

Tempo de instalação: quantidade de dias necessários para que uma mão-de-obra

especializada possa instalar a unidade

Possibilidade de auto instalação: facilidade na implementação do empreendimento

por meio do operador

77

Isolamento térmico: capacidade de manutenção da temperatura, reduzindo assim a

necessidade de um ente externo para controle de variações de temperatura ao longo

do dia

Volume ocupado: dimensões do biodigestor as quais devem ser compatíveis com o

espaço disponível em uma residência

Produtividade: melhor rendimento na geração de biogás

Possibilidade de aquecimento: por meio de equipamento externo, esse tópico avalia

a possibilidade de manutenção do substrato no reator em temperatura na faixa

mesofílica, em virtude do material do reator

4.1. DETERMINAÇÃO DOS MÉRITOS PARA OS CRITÉRIOS DE

AVALIAÇÃO

No que tange os impactos físicos será atribuída nota um para aquelas soluções que

necessitarem de escavações de grandes áreas para instalação de reatores, ao passo que será

atribuída nota dois para soluções que não necessitem alterações no meio físico para sua

instalação.

Quanto aos impactos bióticos, será atribuída nota uma àqueles que apresentarem

impactos significativos à fauna e flora devido a perdas de habitats oriundos de terraplanagens

e escavações, explorados nos impactos físicos, ao passo que será atribuída nota dois àqueles

que não apresentarem impactos significativos à biota local.

Ao percentual de biomassa reduzida será atribuída nota 1 para remoções abaixo de 60%,

2 para 60% a 80%, e 3 para reduções superiores a 80%.

Para o custo total de investimento na tecnologia será atribuída nota um para gastos

superiores a dois mil reais e dois para gastos inferiores a dois mil reais.

Quanto ao custo médio de encerramento da tecnologia, será atribuída nota um a

tecnologias que envolvam retirada de camada impermeável, visando evitar o contato do

substrato digerido com o solo e o lençol freático, lidar com eventuais infiltrações de lixiviado

e aterramento de área previamente escavada. Por outro lado, será atribuída nota dois para

tecnologias fabricadas com peças pré-moldadas que possam ser apenas recicladas uma vez que

limpas de resíduos provindos do extrato digerido.

Ao critério de tempo de retenção hidráulico, por sua vez, será atribuído nota três para

reatores com tempo de retenção entre 0 e 30 dias, nota dois para reatores com tempo de retenção

entre 30 e 50 dias, e nota um para reatores com tempo de retenção superior a 50 dias.

Para o critério de possibilidade de auto instalação, será atribuída nota um para aqueles

que não tiverem praticidade na instalação pelo usuário final e nota dois àqueles que oferecerem

essa vantagem.

Quanto ao isolamento térmico será atribuída nota dois para alternativas que fiquem

enterradas, o que auxilia em uma menor variabilidade de temperatura no decorrer do dia,

levando a um menor gasto com equipamentos para manter a temperatura em uma faixa

78

mesofílica. Por outro lado, será atribuída nota um para soluções que não fiquem enterradas e

apresentem materiais que não possuem um potencial de manutenção da temperatura, como o

plástico por exemplo.

Para o critério de volume ocupado será atribuída nota 1 para volumes acima de 60m³, 2

para volumes entre 10 e 60 m³ e 3 para volumes abaixo de 10 m³.

Para o quesito de produtividade, será utilizada como métrica de avaliação o volume de

gás metano produzido por massa de substrato produzido pelos habitantes de uma residência

urbana brasileira, com isso será utilizada as equações: Equação 3-9 - Geração teórica de gás

metano pela demanda química de oxigênio , Equação 3-10 - Produção volumétrica de metano,

Equação 3-11 - Fator de correção para a temperatura operacional do reator, substituindo a

respectiva eficiência de remoção de biomassa. Quanto às notas atribuídas nesse critério, será

contemplado com nota um nesse quesito produtividades abaixo de 0,50 m³/dia, nota dois para

produtividades entre 0,50 m³/dia e 0,60m³/dia, e nota três para produtividade superior a 0,60

m³/dia.

Para o quesito de possibilidade de aquecimento, atribui-se nota dois àqueles reatores

que possam ser aquecidos, em virtude do material do mesmo, e nota um àqueles que não podem

ser aquecidos.

Os pesos atribuídos para cada um dos critérios será:

Peso um para: impacto físico, impacto biótico, custo médio de encerramento da

tecnologia, tempo de instalação, possibilidade de auto instalação e isolamento

térmico

Peso dois para: percentual de redução de resíduos pós-tratamento, custo total de

investimento na tecnologia, tempo de retenção hidráulico, volume ocupado e

produtividade

Por fim, notas zero serão atribuídas a soluções cujos fabricantes não forneçam

informações suficientes para tecer conclusões acerca da alternativa quanto ao critério proposto.

79

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Tendo por foco a finalidade de atendimento ao âmbito doméstico deste presente

trabalho, mostra-se apropriado o emprego de pequenos biodigestores, de até 60 m³, os quais

podem fornecer biogás a ser empregado na cocção, aquecimento de chuveiros à gás e produção

de energia elétrica por turbina a gás. Os resíduos sólidos urbanos a serem utilizados como

substrato incluem as sobras de alimentos e esgoto doméstico, composição essa que pode que

pode variar em quantidade e composição ao longo do tempo.

5.1. CÁLCULO DA PRODUÇÃO DE LIXO ORGÂNICO E ESGOTO POR

HABITANTE NO BRASIL

A avaliação do potencial existente para tratamento da fração orgânica dos resíduos

sólidos produzidos foi feita a partir do levantamento da composição gravimétrica dos resíduos

sólidos urbanos coletados no Brasil. Para tanto, foi construída a Tabela 5-1 - Estimativa da

composição gravimétrica dos resíduos sólidos urbanos coletados no Brasil, de acordo com o

Diagnóstico dos Resíduos Sólidos Urbanos realizado pelo IPEA em 2012, o qual aponta uma

presença de 51,4% dos resíduos sólidos urbanos referentes à parcel orgânica, dado importante

para inferir sobre o potencial de produção de gás metano.

O estudo completo segue abaixo:

Materiais Participação (%) Quantidade (t/dia)

Material reciclável 31,9 58.527,4

Metais 2,9 5.293,5

Papel, papelão e tetrapark 13,1 23.997,4

Plástico 13,5 24.847,9

Vidro 2,4 4.388,6

Matéria orgânica 51,4 94.309,5

Outros 16,7 30.618,9

Total coletado 100 183.481,5 Tabela 5-1 - Estimativa da composição gravimétrica dos resíduos sólidos urbanos coletados no Brasil (58)

Segundo o jornal O Estado de São Paulo, em publicação feita em 31 de Julho de 2017

por Amorim, D. (59), o percentual de habitantes brasileiros residentes em meio urbano, de

acordo com a classificação adotada atualmente pelo IBGE, é de 84,4%, segundo dados da

própria instituição explorados na matéria. Com isso, dado que a população brasileira é

composta por 207.660.929 habitantes, de acordo com reportagem do jornal Valor Econômico

veiculada em 30 de Agosto de 2017, em publicação feita por Bôas, B. V. (60), pode-se inferir

sobre a produção de lixo orgânico por habitante em meio urbano no Brasil:

80

𝑃𝑙𝑖𝑥𝑜 𝑜𝑟𝑔â𝑛𝑖𝑐𝑜 = 94.309,5 𝑡𝑜𝑛𝑟𝑒𝑠í𝑑𝑢𝑜𝑠 𝑜𝑟𝑔â𝑛𝑖𝑐𝑜𝑠

𝑑𝑖𝑎×

1.000 𝑘𝑔𝑟𝑒𝑠í𝑑𝑢𝑜𝑠 𝑜𝑟𝑔â𝑛𝑖𝑐𝑜𝑠

1 𝑡𝑜𝑛𝑟𝑒𝑠í𝑑𝑢𝑜𝑠 𝑜𝑟𝑔â𝑛𝑖𝑐𝑜𝑠

×1

207.660.929 ℎ𝑎𝑏𝑖𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠

×100 ℎ𝑎𝑏𝑖𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑏𝑟𝑎𝑠𝑖𝑙𝑒𝑖𝑟𝑜𝑠

84,4 ℎ𝑎𝑏𝑖𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑏𝑟𝑎𝑠𝑖𝑙𝑒𝑖𝑟𝑜𝑠 𝑒𝑚 𝑟𝑒𝑔𝑖õ𝑒𝑠 𝑢𝑟𝑏𝑎𝑛𝑎𝑠

= 0,54 𝑘𝑔𝑟𝑒𝑠í𝑑𝑢𝑜𝑠 𝑜𝑟𝑔â𝑛𝑖𝑐𝑜𝑠

ℎ𝑎𝑏𝑖𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑚 𝑚𝑒𝑖𝑜 𝑢𝑟𝑏𝑎𝑛𝑜 𝑛𝑜 𝐵𝑟𝑎𝑠𝑖𝑙 × 𝑑𝑖𝑎

Equação 5-1 - Aproximação da quantidade produzida em média de lixo diariamente por uma família residente

em meio urbano (58) (59)

No que diz respeito à produção de esgoto no Brasil, têm-se os dados abaixo com base

no Diagnóstico dos Serviços de Água e Esgotos – 2016 do Sistema Nacional de Informações

Sobre Saneamento (SNIS) (61), os quais seguem abaixo:

Informação Unidade Valor

População total atendida

com abastecimento de água

Habitantes 166.611.571

Quantidade de ligações de

água

Unidades 55.053.274

Quantidade de economias

residenciais ativas

Km 56.733.555

Extensão de rede de água Mil m³ 626.272

Volume de água produzido Mil m³ 15.909.565

Volume de água consumido Habitantes 9.890.927

População total atendida

com esgoto sanitário

Unidades 103.846.957

Quantidade de ligações de

esgoto

Unidades 30.686.088

Quantidade de economias

residenciais ativas

Unidades 34.222.491

Extensão da rede de

esgotos

Km 303.089

Volume de esgoto coletado Mil m³ 5.473.895

Volume de esgoto tratado Mil m³ 4.055.844

Tabela 5-2 - Informações gerais sobre o abastecimento de água, coleta de esgoto e tratamento de esgoto no

Brasil (61)

81

Com base no estudo, têm-se:

𝑃𝑒𝑠𝑔𝑜𝑡𝑜 = 5.473.895 × 103𝑚3

𝑒𝑠𝑔𝑜𝑡𝑜

𝑎𝑛𝑜×

1 𝑎𝑛𝑜

365 𝑑𝑖𝑎𝑠

×1

103.846.957 ℎ𝑎𝑏𝑖𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑎𝑡𝑒𝑛𝑑𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑙𝑒𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑔𝑜𝑡𝑜 𝑠𝑎𝑛𝑖𝑡á𝑟𝑖𝑜

×1.000 𝑙𝑒𝑠𝑔𝑜𝑡𝑜

1 𝑚3𝑒𝑠𝑔𝑜𝑡𝑜

= 144 𝑙𝑒𝑠𝑔𝑜𝑡𝑜

ℎ𝑎𝑏𝑖𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 . 𝑑𝑖𝑎

Equação 5-2 - Produção de esgoto no Brasil

Dado que a população rural atendida por coleta de esgoto compete apenas a 0,3% do

total, frente à urbana que responde pelos demais 99,7%, faz-se razoável aproximar a produção

de esgoto em meio urbano no Brasil pela coleta de esgoto no país em cidades com serviço de

saneamento básico, tendo em vista as demais premissas adotadas nesse racional de cálculo.

Para o cálculo da massa orgânica presente no esgoto doméstico brasileiro, produzido

em meio urbano, usando por base a caracterização qualitativa do esgoto, segundo o autor Silva

(2007) (62) , o qual aponta uma presença de matéria orgânica da ordem de 700 mg/l no esgoto

doméstico. De posse desse dado, têm-se:

𝑃𝑒𝑠𝑔𝑜𝑡𝑜 = 144𝑙𝑒𝑠𝑔𝑜𝑡𝑜 𝑑𝑜𝑚é𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜

ℎ𝑎𝑏𝑖𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑚 𝑚𝑒𝑖𝑜 𝑢𝑟𝑏𝑎𝑛𝑜 𝑛𝑜 𝐵𝑟𝑎𝑠𝑖𝑙 × 𝑑𝑖𝑎× 700

𝑚𝑔𝑚𝑎𝑡é𝑟𝑖𝑎 𝑜𝑟𝑔â𝑛𝑖𝑐𝑎

𝑙𝑒𝑠𝑔𝑜𝑡𝑜 𝑑𝑜𝑚é𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜

×1 𝑘𝑔𝑚𝑎𝑡é𝑟𝑖𝑎 𝑜𝑟𝑔â𝑛𝑖𝑐𝑎

1 × 106𝑚𝑔𝑚𝑎𝑡é𝑟𝑖𝑎 𝑜𝑟𝑔â𝑛𝑖𝑐𝑎

= 0,1𝑘𝑔𝑚𝑎𝑡é𝑟𝑖𝑎 𝑜𝑟𝑔â𝑛𝑖𝑐𝑎

ℎ𝑎𝑏𝑖𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑚 𝑚𝑒𝑖𝑜 𝑢𝑟𝑏𝑎𝑛𝑜 𝑛𝑜 𝐵𝑟𝑎𝑠𝑖𝑙 × 𝑑𝑖𝑎

Equação 5-3 - Produção de esgoto no Brasil em massa

Por fim, pode-se concluir, que a massa total de resíduos orgânicos, a ser utilizada como

substrato no reator anaeróbio é a soma de produção de lixo e produção de esgoto resultando

em 0,64 kg matéria orgânica / (habitante em meio urbano no Brasil. dia).


EMPREGANDO UM SUBSTRATO DE LIXO ORGÂNICO E ESGOTO

DOMÉSTICO

Nesta seção serão desenvolvidos os racionais matemáticos, para emprego na

modelagem teórica, do potencial de geração de energia elétrica, ou compensação do consumo

de GN/GLP, para um reator genérico com base em algumas premissas (a escolha do reator mais

adequado à solução do problema enunciado será apresentada mais adiante):

82

Utilização do modelo teórico de geração de biogás: 3.6.1. Geração Teórica de

Biogás por Demanda Química de Oxigênio

Tecnologia de geração de energia elétrica: 3.9.1.3. Motor de Combustão Interna

Utilização dos dados estimados de produção de matéria orgânica nos dejetos

produzidos por habitante por dia em meio urbano no Brasil, bem como a

produção de esgoto doméstico diária, calculados na seção anterior

Para cálculo da vazão de gás metano a ser produzida será utilizado o método de

avaliação da demanda química de oxigênio, presente no capítulo 3.6.1. Geração Teórica de

Biogás por Demanda Química de Oxigênio. Para tanto faz-se necessário inferir sobre a

demanda química de oxigênio afluente e efluente, vazão afluente, coeficiente de produção de

sólidos no sistema, em aproveitamentos exclusivos de resíduos orgânicos como substrato, e a

temperatura de operação do reator.

Quanto ao coeficiente de produção de sólidos no sistema, pode-se adotar o valor de 0,17

kgDQOlodo /kgDQOapl, segundo Chernicharo (2007) (15); a temperatura, por sua vez, será operada

na faixa mesofílica, de 20 a 45°C; para efeitos do presente trabalho será considerada uma

produção a 35°C constante. Quanto à concentração de DQO afluente, segundo a autora Vespa

(2005) (63) em sua caracterização sobre resíduos urbanos, para uma parcela orgânica desse

total pode-se adotar uma razão de 652,36 mgDQO/gamostra, com isso, têm-se:

𝑆0 =652,36 𝑚𝑔𝐷𝑄𝑂

1 𝑔𝑎𝑚𝑜𝑠𝑡𝑟𝑎×

0,64 𝑘𝑔𝑎𝑚𝑜𝑠𝑡𝑟𝑎

1 𝑑𝑖𝑎×

1000 𝑔 𝑎𝑚𝑜𝑠𝑡𝑟𝑎

1 𝑘𝑔 𝑎𝑚𝑜𝑠𝑡𝑟𝑎×

1 𝑑𝑖𝑎

0,14 𝑚³×

1 𝑘𝑔 𝐷𝑄𝑂

1.106 𝑚𝑔 𝐷𝑄𝑂

= 2,88 𝑘𝑔𝐷𝑄𝑂

𝑚𝑠𝑜𝑙𝑢çã𝑜3

Equação 5-4 - Concentração de DQO afluente (63)

Analisando a demanda química de oxigênio afluente, têm-se que o valor obtido

encontra-se dentro da faixa proposta por Salomon (2007) (24) de 1 a 10 kgDQO/m3, estando

próximo ao limite inferior devido ao escopo residencial para a utilização de resíduos sólidos

urbanos domésticos.


EMPREGANDO UM SUBSTRATO APENAS DE LIXO ORGÂNICO

Os passos a seguir são importantes para inferir sobre o volume de água necessário para

atingir a concentração de sólidos em solução para a produção ótima de biogás, sendo pouco

relevantes para uma modelagem que preveja o emprego de esgoto sanitário, dado que a

composição do esgoto doméstico é majoritariamente água.

No que tange a demanda química de oxigênio afluente deve-se calcular a quantidade de

água necessária para atingir uma diluição de 12% de sólidos totais diluídos (9), com isso pode-

se empregar a formulação proposta por Nazaro (2016) (9):

𝐶𝑆𝑇 =𝑃𝑑 × 𝑆𝑇𝑎

100

83

Equação 5-5 - Carga de sólidos totais adicionada diariamente ao biodigestor (9)

Onde CST se refere à carga de sólidos totais adicionada diariamente ao biodigestor

(kg/dia), Pd à produção diária de resíduo (kg/dia) e STa à fração sólida do substrato afluente

(%).

Dado que são gerados diariamente 0,54 kg de resíduos por uma família padrão de um

meio urbano, têm-se que a carga de sólidos totais adicionada diariamente ao biodigestor será

de 0,12 kg, admitindo a fração sólida do substrato afluente de 21,9%, conforme apontado por

Brown (2013) (25).

De acordo com esses resultados, pode-se inferir a massa total de alimentação diária do

biodigestor, com base no dado de diluição de 12% para funcionamento operacional correto do

reator, provido pela autora Nazaro (2016) (9):

𝑀𝑡 =𝐶𝑠𝑡 × 100

𝑆𝑇𝑓

Equação 5-6 - Massa total de alimentação diária do biodigestor (9)

Onde Mt refere-se à massa total de alimentação diária (kg.dia-1), Cst à carga de sólidos

totais adicionados diariamente ao biodigestor (kg/dia) e STf à fração sólida no substrato final

(%).

Dado que a carga de sólidos totais produzidos diariamente é de 0,14 kg, têm-se que a

massa total de alimentação diária é de 1,17 kg.

Dessa forma o volume de água a ser adicionado ao substrato afluente é calculado por:

𝑉𝑎 =(𝑀𝑡 − 𝑃𝑑)

𝜌á𝑔𝑢𝑎

Equação 5-7 - Volume de água necessário para operação do reator (9)

Onde o Va refere-se ao volume de água necessário em m³, Mt refere-se à massa total de

alimentação diária (kg/dia), Pd à produção diária de resíduo (kg/dia) e ρágua refere-se ao peso

específico da água (1 kg/L).

Com isso, pode-se inferir que a quantidade de água a ser adicionada ao substrato

afluente é de 0,53 m³ de água/habitantes.

Para inferir sobre a produção de gás metano pela metodologia 3.6.1. Geração Teórica

de Biogás por Demanda Química de Oxigênio, serão utilizadas as equações Equação 3-9 -

Geração teórica de gás metano pela demanda química de oxigênio, Equação 3-10 - Produção

volumétrica de metano e Equação 3-11 - Fator de correção para a temperatura operacional do

reator.

84

6. ALTERNATIVAS PARA SOLUÇÃO DO PROBLEMA

No que tange a discriminação de alternativas para a solução do tema abordado, serão

cobertas alternativas para o emprego de reatores anaeróbios, dentre as levantadas no

levantamento teórico: 3.7.1. Biodigestor Modelo Canadense, 3.7.2. Biodigestor Modelo

Chinês, 3.7.3. Biodigestor Modelo Indiano, 3.7.4. Biodigestor Modelo CSTR, 3.7.5.

Biodigestor Modelo UASB, 3.7.6. HomeBiogas, 3.7.7. Recolast Ambiental Biodigestor

Tubular - 3000, 3.7.8. Mailhem Ikos Environment Portable Biogas Plant, 3.7.9. EUCOlino, os

reatores 3.7.6. HomeBiogas, 3.7.7. Recolast Ambiental Biodigestor Tubular - 3000 foram os

escolhidos segundo a matriz de decisão Figura 4-1- Critérios de avaliação das alternativas para

a solução do problema.

No que tange a avaliação de metodologias que permitam a confecção de um modelo

teórico, pode-se apontar que as entradas requeridas variam de acordo com o modelo de cálculo

do potencial de geração de biogás, ao passo que as saídas variam de acordo com o reator a ser

empregado no processo de obtenção desse gás.

As entradas requeridas pelo usuário são discriminadas por modelo de cálculo do

potencial de geração de biogás abaixo:

Geração Teórica de Biogás por Demanda Química de Oxigênio: para o cálculo

teórico do potencial de geração de biogás nesse modelo, faz-se necessário a

produção de resíduos sólidos diários, a concentração de substrato afluente, e o

percentual de remoção de demanda química de oxigênio por meio do reator

Geração Teórica de Biogás por Concentração de Sólidos Voláteis: taxa máxima de

produção de metano, concentração de sólidos voláteis do efluente, tempo de

retenção hidráulico, taxa de crescimento máximo específico, coeficiente cinético

adimensional e temperatura de operação do reator

Geração Teórica de Biogás por Concentração de Proteínas, Gorduras e Carboidratos

Digestíveis: matéria mineral, proteína bruta, porcentagem de proteína digestível,

gordura bruta, concentração de gordura digerível, fibra bruta, fração de fibra

digestível, concentração de extratos não digeríveis e biodegradabilidade de extratos

não-nitrogenados

Os parâmetros para controle do processo são similares para todos os modelos de

reatores enunciadas, os quais foram apresentados na revisão bibliográfica como 3.5.

PARÂMETROS OPERACIONAIS, sendo os mesmas: Carga Orgânica Volumétrica, Tempo

de retenção hidráulico (TRH), Erro! Fonte de referência não encontrada., Erro! Fonte de

referência não encontrada. e Avaliação da Eficiência da Degradação do Substrato, possuindo,

cada um desses modelos, algumas especificações técnicas para a construção do

empreendimento.

Das alternativas possíveis de manejo dos dejetos produzidos foram desconsideradas as

seguintes soluções: Reciclagem, Aterros Sanitários e Compostagem, uma vez que o problema

explorado abrange a possibilidade de aproveitamento energético do substrato, e não o seu

retorno para a cadeia de valor, como forma de matéria-prima, para o caso de resíduos

recicláveis, visando sua reutilização na escala industrial, tampouco sua deposição controlada,

85

ou seu aproveitamento como adubo, o qual poderá ser uma forma de manejo para o

biofertilizante advindo do biodigestor.

No que diz respeito às alternativas de purificação do biogás gerado no reator, temos:

3.8.1. Absorção com Líquidos, 3.8.2. Lavador de Gases (Water Scrubbing) – Absorção Física,

3.8.3. Solução de Hidróxido de Sódio 3.8.4. Sistema de Tratamento de Biogás com Solução de

Ca (OH)2, e 3.8.5. Remoção de H2S com Óxido de Ferro.

Por fim, quanto à produção de energia elétrica à partir do gás metano, para aquelas

residências nas quais essa seja uma alternativa economicamente viável, temos: 3.9.1.1.

Turbinas a Gás, 3.9.1.2. Turbina à Vapor e 3.9.1.3. Motor de Combustão Interna.

86

7. ESCOLHA DA SOLUÇÃO

No que diz respeito ao modelo de avaliação do potencial de geração de biogás, o modelo

escolhido foi o 3.6.1. Geração Teórica de Biogás por Demanda Química de Oxigênio devido à

necessidade de entrada apenas do número de habitantes na residência, evitando, assim, uma

complexidade à modelagem teórica que impossibilite o entendimento por parte do usuário final,

bem como uma maior cobertura em literaturas especializadas sobre o assunto. Quanto às

alternativas de purificação do biogás, por sua vez, temos que a mais aplicável ao contexto

apresentado é o 3.8.5. Remoção de H2S com Óxido de Ferro, por se tratar de um sistema

economicamente viável para um ambiente doméstico urbano. No que tange a produção de

energia elétrica, a solução adequada para uma pequena geração, menor do que 1 MW, é o

3.9.1.3. Motor de Combustão Interna.

A opção de reator escolhida, por sua vez, foi a solução comercial 3.7.6. HomeBiogas,

exposta no levantamento bibliográfico, tendo por vantagens competitivas perante o segundo

colocado Recolast Ambiental Biodigestor Tubular – 3000, o tempo de retenção hidráulica

inferior, bem como o preço mais competitivo. A matriz de decisão com as notas dadas a cada

critério, bem como os pesos para a nota final de cada critério, está exposta na página a seguir,

seguida por uma síntese das considerações a respeito de cada alternativa.:

87

Impacto

físicoIm

pacto

s bió

ticos

Perce

ntu

al d

e re

duçã

o d

e

resíd

uos p

ós-tra

tam

ento

Custo

tota

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vestim

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na

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Custo

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nce

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ento

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gia

Tem

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tençã

o

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Tem

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ção

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e a

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-

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oIso

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ento

Térm

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olu

me o

cupado

Pro

dutiv

idade

Possib

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e

aquecim

ento

Canadense

11

21

12

11

21

32

27

Chin

ês

11

11

11

11

21

12

19

India

no

11

11

11

11

21

12

19

CS

TR

22

21

22

21

12

32

32

UA

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12

21

22

21

12

32

31

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22

32

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12

32

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13

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ble

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02

13

Impacto

físicoIm

pacto

s bió

ticos

Perce

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duçã

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e

resíd

uos p

ós-tra

tam

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Custo

tota

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vestim

ento

na

tecn

olo

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Custo

médio

de e

nce

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ento

da te

cnolo

gia

Tem

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tençã

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Tem

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stala

ção

Possib

ilidade d

e a

uto

-

insta

laçã

oIso

lam

ento

Térm

icoV

olu

me o

cupado

Pro

dutiv

idade

Possib

ilidade d

e

aquecim

ento

Peso

de ca

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rio1

12

21

21

11

22

1

Solu

ção 1

Esco

lhid

aH

om

eBio

gas 2.0

Solu

ção 2

Esco

lhid

aR

ecolast A

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Crité

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Peso

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Modelo

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Crité

rios

Am

bie

nta

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icos

88

Quanto ao percentual de redução da biomassa pós-tratamento cabe ressaltar a

capacidade de remoção de demanda química de oxigênio de cada um dos modelos

apresentados:

Modelo canadense: remoção de 80% da demanda química de oxigênio afluente,

segundo dados de Macedo (2013) (31)

Modelo chinês: redução de 52%, de acordo com Stockmanns (2017) (64)

Modelo indiano: redução de 57%, de acordo com Souza, et al. (2013) (65)

Modelo CSTR: remoção de 80 a 95% da DQO, para cargas orgânicas entre 1 e 10

kg DQO/m³ dia, segundo o autor Salomon (2007) (17). Para fins de

conservadorismo será adotada uma redução de biomassa para o reator CSTR de

80%

Reator UASB: redução de 75%, aproximando as faixas adotadas por Garcia, et al.

(2015) (43) e a fabricante Rotosis (2018) (44)

HomeBiogas: redução de 85% de acordo com Bleicher, et al. (2017) (46)

Recolast Ambiental Biodigestor Tubular – 3000: redução de 90% de acordo com o

fabricante (48)

Portable Biogas Plant: não informado pelo fabricante

Para cálculo do orçamento de implantação dos reatores foi considerada uma família

brasileira média de quatro pessoas, afim de dimensionamento da vazão afluente aos reatores.

Deve-se levar em conta ainda o volume do biodigestor, o qual é diretamente proporcional ao

tempo de retenção hidráulico dos biodigestores, com isso têm-se, para os respectivos

biodigestores previstos na revisão bibliográfica, bem como os modelos comerciais levantados

na sessão

Modelo canadense: segundo Macedo (2013) (31) esse tipo de biodigestor possui um

tempo de retenção hidráulico de 30 a 35 dias, com isso usaremos um tempo

equivalente a 35 dias, visando calcular o volume no pior cenário possível. Com isso

o volume do biodigestor será de 62 m³. Segundo a autora Macedo (2013) (31), o

custo para produção de um biodigestor médio, proposto pela Empresa Brasileira de

Pesquisa Agropecuária (2013), é diretamente proporcional ao volume do reator em

uma razão de R$ 150,00 / m³, conforme explorado na sessão 3.7.1.6. Custos da

Implantação do Biodigestor, com isso o custo de implantação será de

aproximadamente R$ 9.300,00

Modelo chinês: segundo a autora Stachissini (2014) (36), conforme exposto na

sessão 3.7.2. Biodigestor Modelo Chinês, o tempo de retenção hidráulico varia de

40 a 60 dias, com isso, para adotar uma estimativa conservadora, será admitido um

tempo de retenção hidráulico de 60 dias. Com isso o volume do digestor será de

106,2 m³. Pela razão apresentada pela autora Macedo (2013) (31), têm-se o preço

do sistema de R$ 15.930,00.

Modelo indiano: segundo a autora Stachissini (2014) (36), conforme exposto na

sessão 3.7.3. Biodigestor Modelo Indiano, o tempo de retenção hidráulico varia de

40 a 60 dias, tal qual o modelo indiano, com isso, para adotar uma estimativa

conservadora, será admitido um tempo de retenção hidráulico de 60 dias. Com isso

89

o volume do digestor será de 106,2 m³. Para tanto, segundo dados de Bonturi e Dijk

(2012) (40) os gastos de implantação seriam de R$ 8.175,00.

Modelo CSTR: segundo Rupf et al. (2016) (42), o tempo de residência varia entre

10 e 30 dias, com isso usaremos 30 dias para fins de conservadorismo, visando

utilizar o digestor de maior volume que possa ser necessário. Portanto, o volume do

biodigestor será de 53 m³. Pela razão apresentada pela autora Macedo (2013) (31),

têm-se o preço do sistema de R$ 7.950,00.

Reator UASB: segundo orçamento da Rotosis (44) a compra do reator seria de R$

1.650,00, desconsiderando gastos com escavação para instalação do reator e mão

de obra

HomeBiogas: R$ 2.012,40, segundo o fabricante (45), considerando a cotação do

dólar de R$ 3,15

Recolast Ambiental Biodigestor Tubular – 3000: R$ 2.779,86


Quanto aos critérios técnicos, pode-se apontar, primeiramente, o tempo de retenção

hidráulico, a partir de dados de cada um dos tipos de reatores:

Modelo canadense: entre 30 e 35 dias, segundo dados de Macedo (2013) (31)

Modelo chinês: 60 dias, de acordo com a autor Stachissini (2014) (36)

Modelo indiano: 60 dias, segundo Stachissini (2014) (36)

Modelo CSTR: 30 dias, segundo Rupf, et al. (2016) (42)

Reator UASB: 22 dias, segundo Pereira (2017) (41)

HomeBiogas: 21 dias, de acordo com o fabricante (45)

Recolast Ambiental Biodigestor Tubular – 3000: 30 dias, segundo o fabricante (48)


Quanto ao critério de volume ocupado pela tecnologia, têm-se:

Modelo canadense: conforme exposto o volume é de 62 m³

Modelo chinês: conforme exposto, o volume é de 106,2 m³

Modelo indiano: conforme exposto, o volume é de 106,2 m³

Modelo CSTR: segundo Rupf et al. (2016) (42), o tempo de residência varia entre

10 e 30 dias, com isso usaremos 30 dias para fins de conservadorismo, visando

utilizar o digestor de maior volume que possa ser necessário. Portanto, o volume do

biodigestor será de 53 m³

Reator UASB: 1,3 m³, modelo da Rotosis (44)

HomeBiogas: 2,10 m³, segundo o site da empresa (45)

Recolast Ambiental Biodigestor Tubular – 3000: 4,2 m³, segundo o site da empresa

(48)


Quanto à produtividade, para uma família média de quatro pessoas residindo em

ambiente urbano no Brasil, têm-se, para cada um dos modelos, a produção de gás metano à

partir da Equação 3-9 - Geração teórica de gás metano pela demanda química de oxigênio (15),

Equação 3-10 - Produção volumétrica de metano (15), e Equação 3-11 - Fator de correção para

a temperatura operacional do reator (15):

90

Modelo canadense: 0,50 m³/(habitantes.dia), para um rendimento de 80%

Modelo chinês: 0,28 m³/(habitantes.dia), para um rendimento de 52%

Modelo indiano: 0,50 m³/(habitantes.dia) para um rendimento de 57%

Modelo CSTR: 0,24 m³/(habitantes.dia), para um rendimento de 80%

Reator UASB: 0,46 m³/(habitantes.dia), para um rendimento de 75%

HomeBiogas: 0,54 m³/(habitantes.dia), para um rendimento de 85%

Recolast Ambiental Biodigestor Tubular – 3000: 0,48 m³/(habitantes.dia), para um

rendimento de 90%

Portable Biogas Plant: não informado pelo fabricante o rendimento dedo sistema

Por fim, quanto à possibilidade de aquecimento do reator para manutenção do substrato

em temperatura mesofílica, o único que não pode ser aquecido, e por isso recebeu nota 1, foi a

solução comercial HomeBiogas.

91

8. ESPECIFICAÇÃO DA SOLUÇÃO

8.1. MODELO TEÓRICO DE GERAÇÃO DE BIOGÁS E APROVEITAMENTO

ENERGÉTICO

O modelo teórico se propõe a inferir a economia potencial de energia elétrica, ou

GLP/GN, em uma residência urbana brasileira. As entradas necessárias pelo usuário são

especificadas em uma janela de comando que aparece no momento em que o usuário roda uma

nova consulta, as quais são exploradas nas Figura 8-1 - Capa do modelo teórico de previsão da

produção de biogás e Figura 8-2 - Entradas promovidas pelo usuário no momento de uma nova

consulta.

Figura 8-1 - Capa do modelo teórico de previsão da produção de biogás

Figura 8-2 - Entradas promovidas pelo usuário no momento de uma nova consulta

92

Após o preenchimento das entradas requeridas pela ferramenta ao usuário, uma janela

de confirmação do preenchimento é disparada apontando as planilhas onde foram gerados os

relatórios de interesse, bem como o número da nova consulta na planilha “Consolidação –

Resultados”, como pode-se ver nas imagens abaixo, de cunho meramente ilustrativo:

Figura 8-3 - Entradas preenchidas pelo usuário

Figura 8-4 - Resultados da nova consulta preenchida pelo usuário

Com o término do preenchimento, por parte do usuário, da janela de comando, com

especificações quanto ao número de habitantes, reator optado, distribuidora local de energia

elétrica e tipo de ligação residencial, é executada uma sub-rotina em VBA responsável por

alocar os inputs nas respectivas variáveis, bem como armazenar um histórico dos resultados

obtidos na planilha “Consolidação – Resultados”, conforme exposto na figura abaixo:

93

Figura 8-5 - Código em VBA para execução do modelo - parte 1


94



95


O modelo teórico, em plataforma Microsoft Excel 2016 ®, é dividido nas seguintes

planilhas: Capa, Instruções, Histórico – Resultados, Vetores_Uso Interno, Inputs, Preço kWh

Brasil por Estado, Tarifa Gás Canalizado Brasil, Tecnologias Sugeridas,

Relatório_RO_ESGOTO, Relatório _RO e Consolidação – Resultados.

A planilha “Capa” é selecionada automaticamente no momento em que o usuário abre

a pasta de trabalho, contendo as instruções quanto a pressionar o botão para iniciar o processo

de uma nova consulta, bem como uma explicação sobre o código de cores, o qual explora quais

planilhas são destinadas a inputs, base de dados, saídas, checks, e planilhas não envolvidas na

execução da sub-rotina, ou seja, na execução do código VBA que será disparado no momento

em que o usuário terminar a consulta.

No que tange as planilhas não envolvidas na execução da sub-rotina, temos a planilha

“Instruções”, a qual traz uma conceituação teórica para o usuário quanto aos cálculos

empregados na pasta de trabalho. A exposição de cálculos na planilha é dividida em deduções

referentes à produção de sólidos, volume de água no biodigestor, para o caso de utilização

apenas de resíduos orgânicos produzidos em uma residência, em cenários onde não se espera

aproveitar o esgoto doméstico para fins de produção de biogás, cálculo de demanda química

de oxigênio, cálculo da vazão de biogás produzido, produção de energia elétrica e custo de

oportunidade da substituição de energia elétrica, como foi explorado nos itens 3.6.1. Geração

Teórica de Biogás por Demanda Química de Oxigênio e Erro! Fonte de referência não

encontrada.. Erro! Fonte de referência não encontrada.. A planilha “Tecnologias

Sugeridas” também se contextualiza nesse âmbito, expondo quais os reatores anaeróbios

empregados no modelo, bem como as páginas na internet onde o usuário pode adquiri-los e

maiores informações à respeito de suas operações.

No que tange as planilhas de check, por sua vez, temos apenas uma denominada

“Histórico de Resultados”, a qual abriga consultas passadas geradas na planilha “Consolidação

96

– Resultados” com o propósito de validar o modelo produzido, verificando a consistência dos

outputs gerados.

Quanto às planilhas de inputs, por outro lado, temos a “Vetores_Uso Interno”, a qual

compete a armazenar a lista de reatores possíveis de serem escolhidos pelo usuário no momento

de rodar uma nova consulta, no caso o HomeBiogas 2.0 e do Recolast Biodigestor Residencial,

escolhidos como solução ótima na Erro! Fonte de referência não encontrada.. Erro! Fonte de

referência não encontrada., bem como suas características quanto a tempo de residência

hidráulica, rendimento do reator, altura do digestor, comprimento do digestor, largura do

digestor, volume do digestor, área total ocupada e preço do reator de anaerobiose, os quais

serão utilizados na planilha “Inputs”; última planilha com o código de cores referentes a inputs,

passíveis de mudança por parte do usuário final. A planilha “Inputs” é dividida em entradas

referentes a fatores de conversão, dados sobre a residência de estudo, dados da produção de

resíduos orgânicos no lixo doméstico urbano brasileiro, produção de resíduos orgânicos no

esgoto brasileiro, produção teórica de gás metano pela demanda química de oxigênio, cálculo

do fator de correção para a temperatura operacional do reator, cálculo da produção de biogás,

dados do digestor, capacidade de geração de energia elétrica, preço dos equipamentos

envolvidos, dados sobre o gerador de gás, conversão de biogás em biometano, consumo de

energia elétrica no país, bem como o preço do kWh por distribuidora local, e o consumo de

GLP/GN no país.

No que diz respeito às planilhas de base de dados, temos Preço kWh Brasil por Estado

e a Tarifa Gás Canalizado Brasil, as quais, respectivamente, se referenciam aos dados

publicados pela ANEEL no Ranking das Tarifas (66), atualizados em 24 de Novembro de 2015,

e aos dados publicados pela Comgas nas Tarifas de Gás Canalizado (67), publicados em 30 de

Maio de 208.

Por fim, quanto às planilhas de resultados, temos o “Relatório_RO_ESGOTO”,

“Relatório _RO”, e a “Consolidação – Resultados”, os quais, respectivamente, fornecem como

saída o custo de oportunidade no emprego do biodigestor para um substrato formado por

resíduos orgânicos residenciais e esgoto, e um substrato formado exclusivamente por resíduos

orgânicos, nas especificações concedidas pelo usuário final, bem como um resumo de todas as

entradas e saídas utilizadas pelo usuário em todas as suas consultas passadas.

Dado que as soluções escolhidas, por intermédio da matriz de decisão e avaliação de

cenários com o auxílio do modelo exposto, são os ratores comerciais HomeBiogas e Recolast

Ambiental Biodigestor Tubular – 3000, acompanhadas de um motor de combustão interna,

caso haja a produção de energia elétrica prevista para o usuário, o cálculo do potencial de

geração de gás metano purificado, bem como de aproveitamento para geração de energia

elétrica do mesmo, irá prever o cenário de aproveitamento de esgoto sanitário para inferir sobre

o custo das tecnologias envolvidas e a viabilidade econômica de emprego da solução escolhida.

Têm-se uma especificação da solução a seguir, considerando uma família média brasileira de

quatro pessoas para fins de dimensionamento de uma solução, entretanto prevendo um modelo

flexível para a mudança do parâmetro de pessoas residentes no domicílio, aproveitamento, ou

não de esgotamento doméstico no processo, ligações residenciais individuais ou em

condomínio, bem como a região e a distribuidora que atendam o usuário.

97

8.2. PRODUÇÃO DE BIOGÁS NO HOMEBIOGAS E POTENCIAL DE

CONVERSÃO EM ENERGIA ELÉTRICA

Pelas equações Equação 5-1 - Aproximação da quantidade produzida em média de lixo

diariamente por uma família residente em meio urbano e Equação 5-2 - Produção de esgoto

no Brasil, temos que a vazão de lixo orgânico e esgoto doméstico, para uma família média

brasileira de quatro pessoas, residindo em meio urbano, será de, aproximadamente, 0,58 m³/dia.

Com isso, dado o tempo de retenção hidráulico do HomeBiogas 2.0 é de 21 dias, segundo

Bleicher, et al. (2017) (46), temos que o volume necessário dos digestores é de 12,17 m³

Ainda de acordo com Bleicher, et al. (2017) (46), por sua vez, o rendimento da

tecnologia HomeBiogas 2.0 para remoção de demanda química de oxigênio do substrato é de

85%, calculado de forma experimental. Com isso, para a tecnologia disponibilizada pela

empresa HomeBiogas, em sua versão 2.0, têm-se as seguintes produções de gás metano e

energia elétrica:

𝑄𝑎𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 =𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑡𝑜𝑟

𝑇𝑅𝐻=

6 × 1,65 × 1,27 × 1,00

21 𝑚³

𝑑𝑖𝑎= 0,60

𝑚³

𝑑𝑖𝑎

Equação 8-1 - Cálculo da vazão afluente no reator de biodigestão

𝐷𝑄𝑂𝐶𝐻4= 0,60 × (2,88 − 2,88 × (1 − 0,85)) − 0,17 × 0,64 × 2,88 = 1,17

𝑘𝑔 𝐷𝑄𝑂𝐶𝐻4

𝑚3

Equação 8-2 - Geração de gás metano no HomeBiogas (15)

𝑓(𝑇) =1 × 64

0,08206 × (273 + 35)= 2,53

𝑘𝑔𝐷𝑄𝑂

𝑚𝑜𝑙

Equação 8-3 - Fator de correção para a temperatura operacional no HomeBiogas (15)

𝑄𝐶𝐻4=

𝐷𝑄𝑂𝐶𝐻4

𝑓(𝑇)=

1,17

2,53= 0,46

𝑚3

𝑑𝑖𝑎

Equação 8-4 - Produção volumétrica de metano diário no HomeBiogas

𝑄𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠 =𝑄𝐶𝐻4

𝐶𝐶𝐻4=

0,46

0,7= 0,66

𝑚3

𝑑𝑖𝑎

Equação 8-5 - Vazão de biogás produzida diariamente no HomeBiogas (15)

𝑃𝐸 = 0,46 × 5.500 × 0,3 × 4,1868

86.400= 0,04 𝑘𝑊

Equação 8-6 - Potência disponível no biogás admitindo um reator genérico (13)

𝐸 = {0,46 × 5.500 × 0,3 × 4,1868

86.400} × 24 = 1,02

𝑘𝑊ℎ

𝑑𝑖𝑎

98

Equação 8-7 - Energia disponível no biogás em um reator genérico (13)

8.3. MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA

O motor de combustão interna é a solução empregada para aproveitamento do biogás

para produção de energia elétrica, uma vez que dentre as soluções elencadas: 3.9.1.1. Turbinas

a Gás, 3.9.1.2. Turbina à Vapor, e 3.9.1.3. Motor de Combustão Interna, essa é a única solução

economicamente viável para um contexto residencial.

A marca Shanghai Amazonas comercializa o seu modelo LT2500EB, o qual tem uma

potência de produção de até 2,75 kVA (ou 2,2 kW), utiliza por combustível o gás natural,

possibilitando o uso de biogás para a mesma finalidade, e se adequando, por fim, ao uso

descrito em nossa solução. O aparelho é comercializado a R$ 3.017,00 e uma representação

real do aparelho é apresentada abaixo:

Figure 8-1 - Gerador de energia elétrica à gás Shanghai Amazonas, modelo LT2500EB LPG (68)

8.4. CUSTO DE OPORTUNIDADE COM O APROVEITAMENTO

ENERGÉTICO DO BIOGÁS

A produção de gás metano pela solução comercial da empresa é de 0,46 m³/dia e a

produção de energia elétrica é de, aproximadamente, 1,02 kWh/dia. Para executar a

comparação com o percentual de energia elétrica e demanda por GLP/GN que esse método de

obtenção de energia renovável pode suprir para uma família padrão residente em um ambiente

urbano, têm-se, segundo o Balanço Energético Nacional (2017) (69) os seguintes dados:

99

10³ TEP (TOE)

Fontes 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Gás Natural 221 229 238 255 280 296 321 310 312 357

Lenha 7.812 7.706 7.529 7.276 6.505 6.472 5.741 6.109 6.334 6.064

GLP 5.896 6.043 6.115 6.298 6.364 6.393 6.521 6.535 6.541 6.573

Querosene 9 9 8 4 5 5 4 3 3 2

Gás

Canalizado

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Eletricidade 7.816 8.220 8.655 9.220 9.629 10.118 10.737 11.373 11.264 11.426

Carvão

Vegetal

22.271 22.738 23.129 23.562 23.267 23.761 23.726 24.808 24.927 24.851

Total 22.271 22.738 23.129 22.562 23.267 23.761 23.726 24.8808 24.927 24.851

Tabela 8-1 – Modais energéticos distribuídos por produção anual (69)

Fatores de conversão para energia

de >>>> para Multiplicar por

J Btu cal kWh TEP

Joule ( J ) 1,0 947,8x10-6 0,23884 277,7x10-9 2,388x10-11

British Thermal Unitr ( Btu ) 1,055x10³ 1,0 252 293,07x10-6 2,52x10-8

Caloria ( cal ) 4,1868 3,968x10-3 1,0 1,163x10-6 10,0-10

Quilowatt-hora ( kWh) 3,6x106 3412,0 860x10³ 1,0 8,6x10-5

Tonelada equivalente de petróleo (TEP) 41,87x109 39,68x106 10,0x109 11,63x10³ 1,0 Tabela 8-2 - Fatores de conversão para energia, segundo as medidas utilizadas de energia elétrica da ANEEL

(70)

Com base nesses dados, e na tabela de fatores de conversão para energia da ANEEL

(70) têm-se a seguinte quantidade média de consumo de energia elétrica (CEE) por família:

𝐶𝐸𝐸 = 4 ℎ𝑎𝑏𝑖𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 ×11.426.000

207.660.929

𝑇𝐸𝑃

ℎ𝑎𝑏𝑖𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠×

1 𝑘𝑊ℎ

8,6 . 10−5 𝑇𝐸𝑃= 2.559,18

𝑘𝑊ℎ

𝑎𝑛𝑜

Equação 8-8 - Consumo médio de uma família brasileira de eletricidade em um ano (69) (70)

A produção de energia elétrica anual, a partir da biomassa no reator, é representada

abaixo:

𝐸 = 1,02𝑘𝑊ℎ

𝑑𝑖𝑎×

365 𝑑𝑖𝑎𝑠

1 𝑎𝑛𝑜= 372,40

𝑘𝑊ℎ

𝑎𝑛𝑜

Equação 8-9 - Produção de energia elétrica anual à partir da biomassa em um reator HomeBiogas 2.0 (13)

No que tange o gás natural, têm-se, de acordo com os dados energéticos fornecidos pelo

Estado de São Paulo no Boletim Energético (2017) (71), o consumo residencial de GLP/GN é

de aproximadamente 17,2 m³/mês, o qual será generalizado como uma média de consumo para

o presente estudo. O estudo completo segue abaixo:

100

Discriminação 2015 2016 2017

anual mensal anual mensal (outubro)

Residencial 186,2 15,5 202,3 16,9 17,2

Industrial 2.789.503,9 232.458,7 2.520.578,3 210.048,2 197.933,1

Comercial 7.793,6 649,5 7.678,9 639,9 628,3

Automotivo 647.790,9 53.982,6 670.714,1 55.892,0 58.853,6

Co-geração 10.874.408,9 906.200,7 10.433.744,9 869.478,7 748.219,7

Termogeração 472.165.649,0 39.347.137,4 133.751.221,7 11.145.935,1 -

Total 5.066,1 422,2 3.997,6 333,1 315,2

Tabela 8-3 - Consumo de energia elétrica mensal e anual (71)

Por fim, podemos concluir que a produção de gás metano purificado de 0,64 m³/dia, ou

19,14 m³/mês, pode suprir toda a demanda residencial de GLP/GN. Para o período de um ano

seriam consumidos 206,4 m³/ano de gás metano purificado, em detrimento do GLP/GN, o que

representaria uma economia de R$ 1.235,17 por ano para uma produção de gás totalmente

voltada para a utilização do gás metano em substituição do GLP/GN. Esse valor é pautado na

tarifa mensal do metro cúbico prevista pela Comgas (2018) (67) por deliberação da ARSESP

nº 727, de 30/05/2018, com vigência a partir de 31/05/2018, sendo aplicado o valor fixo de R$

9,92 por mês e um valor variável de R$ 5,407584 /m³ para consumos entre 14,01 a 34,00 m³

em ambientes residenciais com medições não-coletivas.

Quanto à produção de energia elétrica a partir da biomassa, em um reator modelo

HomeBiogas 2.0, por sua vez, tem-se que essa pode substituir, aproximadamente, 14,55% da

demanda em um ano. Com base no preço do kWh médio das tarifas residenciais para o Brasil,

segundo os valores homologados pela ANEEL (72), têm-se que a economia seria de R$ 188,43

por ano para uma produção de gás metano totalmente voltada para a produção de energia

elétrica.

Por fim, temos a tabela com o resumo de custo de oportunidade de emprego do biogás

purificado, abaixo, para cada uma das tecnologias abordadas em uma residência urbana

brasileira. A partir da mesma pode-se concluir que a solução mais adequada para o problema

exposto é a substituição da demanda de GLP/GN na residência pela produção de biogás a partir

de resíduos orgânicos provenientes do lixo produzido in loco, bem como o aproveitamento do

esgoto sanitário gerado, podendo, assim, compensar integralmente a demanda por GLP/GN,

garantindo uma economia anual de, aproximadamente, R$ 1.235,17 e um payback de 9,78 anos.

101

Emprego do reator para substituir a produção de energia elétrica

Porcentagem de energia elétrica

compensada

14,55%

Economia anual R$ 188,43

Gastos com equipamentos (imobilizado) –

CAPEX

R$ 15.092,27

Payback 80,09 anos

Emprego do reator para substituição do consumo de GLP/GN

Porcentagem de GLP/GN compensada 100,00%

Economia anual R$ 1.235,17

Gastos com equipamentos (imobilizado) –

CAPEX

R$ 12.075,38

Payback 9,78 anos

Escolha da melhor alternativa Compensar o consumo de GLP

Tabela 8-4 - Resumo do custo de oportunidade de emprego do biogás purificado para a produção exclusiva de

energia elétrica e substituição da demanda de GLP/GN

102

9. CONCLUSÃO

O modelo teórico construído em plataforma Microsoft Excel 2016 ®, realiza o cálculo

teórico de biogás produzido em uma residência e infere ao usuário quais são as oportunidades

possíveis para o uso do biogás e qual é o horizonte de tempo que seu investimento terá retorno,

para que isso seja possível alguns tratamentos teóricos foram feitos e com isso foi possível

chegar na escolha do melhor reator e uma solução ótima.

A escolha do reator foi feita a partir de uma matriz de decisão, que atribuiu notas a

critérios de avaliação de cunho ambiental, econômico e técnico, assim chegando nas duas

melhores opções para o usuário, sendo elas respectivamente, HomeBiogas 2.0 e Recolast

Ambiental Biodigestor Tubular – 3000.

Para calcular o potencial teórico de biogás utilizamos a geração teórica por demanda

química de oxigênio, pela ampla abordagem na literatura que se teve acesso em detrimento dos

demais modelos expostos no trabalho, bem como o número reduzidos de entradas que deve ser

preenchido pelo usuário final.

Por se tratar de um gás altamente corrosivo, o biogás necessita de uma purificação para

remover o sulfeto de hidrogênio, e a solução mais viável e facilmente aplicada é a remoção de

sulfeto de hidrogênio com óxido de ferro, que apresenta uma remoção de 20g de H2S utilizando

100g de lascas de madeira impregnadas com óxido de ferro.

Caso seja escolhido a produção de energia elétrica a partir do biogás é necessário a

escolha de um motor de combustão interna para que assim seja gerada energia, o escolhido foi

o motor da Shangai Amazonas e não foi escolhido as turbinas por não serem economicamente

viáveis para uma residência.

A solução ótima do modelo é dada pelo HomeBiogas 2.0, onde foi obtido uma geração

de 0,64 m³/dia e 0,74 kWh/dia. Para que isso seja possível é necessário um investimento inicial

de R$ 15.092,27 e R$ 12.075,38, respectivamente, para uma produção voltada exclusivamente

para a substituição da demanda de energia elétrica e para a substituição da demanda de

GLP/GN.

Com base no preço do kWh médio das tarifas residenciais para o Brasil, segundo os

valores homologados pela ANEEL (70) e na tarifa mensal do metro cúbico prevista pela

Comgas (2018) (69) por deliberação da ARSESP nº 727, de 30/05/2018, com vigência a partir

de 31/05/2018, têm-se que o horizonte de tempo para recuperação do investimento aportado

para instalação do reator, e emprego de um motor à combustão interna, para o caso de produção

de energia elétrica, seria de 80, 09 anos para uma produção exclusiva de energia elétrica à partir

do gás metano purificado, gerado pela solução comercial HomeBiogas 2.0, ao passo que,

empregando o mesmo reator, o payback para o uso exclusivo do gás metano gerado para

substituir a demanda de GLP/GN seria de 9,78 anos, configurando-se como a melhor solução

para o problema apresentado.

O presente estudo não previu fatores inibitórios como uma condição que possa reduzir a

produção teórica de biogás, podendo ser explorados em trabalhos futuros, como uma

complementação dos resultados obtidos. Dentre os fatores inibitórios explorados no

103

levantamento bibliográfico pode-se apontar a presença de substâncias em concentrações

potencialmente inibitórias, como o sódio, potássio, cálcio e zinco, bem como as condições do

meio, como temperatura e pH fora das faixas ideais, o que provocaria a operação do processo

de anaerobiose fora da faixa de máxima produção mesofílica ou a morte prematura dos

microrganismos que degradam o substrato.

104

10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Escola Politécnica da Universidade de São Paulo