ESTIMATIVA DA PRODUÇÃO DE GÁS METANO NO ATERRO SANITÁRIO DO MUNICÍPIO DE LENÇÓIS PAULISTA

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1 81 ESTIMATIVA DA PRODUÇÃO DE GÁS METANO NO ATERRO SANITÁRIO DO MUNICÍPIO DE LENÇÓIS PAULISTA Fábio José Esguícero 1 Rosane Aparecida Gomes Battistelle 2 1 Professor da Faculdade Orígenes Lessa (FACOL), Instituição Toledo de Ensino (ITE) e aluno do curso de Pós-Graduação em Engenharia de Produção da Faculdade de Engenharia de Bauru (FEB). UNESP. fabio.esguicero@facol.br 2 Professora do curso de Pós-graduação em Engenharia de Produção da Faculdade de Engenharia de Bauru (FEB) UNESP. RESUMO: A elevação da geração dos Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) configurase como um dos mais complexos problemas a serem resolvidos pelos administradores públicos nos municípios, principalmente quanto ao seu manejo e destinação final. A Política Nacional de Resíduos Sólidos preconiza o aproveitamento energético através do biogás gerado nos aterros sanitários como uma das opções para mitigar os impactos ambientais causados pelos resíduos sólidos domiciliares. Desta forma, este trabalho objetivou estimar através do software Biogás 1.0, o volume de gás metano (CH4) contido nos resíduos sólidos a serem dispostos no novo aterro sanitário do Município de Lençóis Paulista, localizado no interior do Estado de São Paulo. Com a estimativa, é possível futuramente projetar a viabilidade do aproveitamento energético dos resíduos sólidos domiciliares gerados no município. Palavras chaves: Biogás, Energia, Resíduos Sólidos. ABSTRACT: An increase in the generation of Urban Solid Waste (RSU) is one of the most complex problems and is solved by public administrators in the municipalities, mainly as regards their direction and purpose. The National Solid Waste Policy recommends the use of energy through the biogas generated in landfills as one of the options to mitigate the environmental impacts caused by solid household waste. Thus, the objective of this work was to estimate the volume of methane gas (CH4) contained in the solid waste to be disposed in the new sanitary landfill of the Municipality of Lençóis Paulista, located in the interior of the State of São Paulo, using Biogás 1.0 software. With an estimate, it is possible in the future to analyze the viability of the energetic use of the waste to be disposed in the new sanitary landfill of the municipality. Keywords: Biogas, Energy, Solid waste. 1. INTRODUÇÃO A expansão da geração de Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) tem se configurado como um complexo problema ambiental e econômico a ser solucionado

2 82 pela sociedade envolvendo os setores público e privado. O aumento da concentração urbana e o crescimento econômico observados nas últimas décadas acabaram por gerar mudanças nos hábitos dos consumidores, sendo necessário grande quantidade de recursos naturais e energia a fim de atender o aumento na demandando cada vez maior por bens e serviços, dos básicos aos supérfluos, tendo como resultado o aumento nas cidades da geração de resíduos sólidos. O problema se intensifica quando estes resíduos se transformam em rejeitos porque não são aproveitados de alguma forma, não voltando ao ciclo produtivo seja na forma de matéria-prima ou energia. No entanto, são dispostos em aterros ou lixões, sem o devido aproveitamento. Dados da Associação Brasileira das Empresas de Limpeza Pública (ABRELP) apontam que no ano 2014 foram destinados aos aterros e lixões cerca de 71 milhões de toneladas de resíduos. Com o objetivo de orientar a gestão dos resíduos e principalmente minimizar a questão de sua disposição final é que foi criada a Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS), Lei Federal nº de 02 de Agosto de 2010, regulamentada pelo Decreto Federal nº de 23 de Dezembro de 2010, envolvendo todos os atores que participam do sistema, do produtor ao consumidor, do importador, do transportador ao comerciante, do poder público à iniciativa privada, dos grandes geradores ao cidadão comum das cidades. Dentre as várias alternativas para destinação final adequada dos resíduos, a Política Nacional de Resíduos Sólidos considera a incineração com obtenção de energia e o aterramento com ou sem obtenção de energia. O aterramento é a forma mais utilizada para dispor resíduos e rejeitos nos municípios brasileiros, sendo que a maioria dos aterros não é construída com o objetivo de captação de gás para produção de energia, o que pode ser considerado como grande desperdício, pois uma enorme área física de terra é utilizada e fica sem possibilidade de uso por centenas de anos. Segundo dados da ABRELP, o Brasil conta atualmente com poucos projetos de geração de energia elétrica através da captação de biogás em aterros sanitário, sendo que a maior parte dos mesmos estão localizados no Estado de São Paulo. O pequeno número de iniciativas deve-se aos custos de investimento e a

3 83 escala mínima necessária de resíduos com intuito de obtenção de energia deste processo, aspectos fundamentais para verificar a viabilidade econômica para o aproveitamento energético. O primeiro passo para verificar a viabilidade do aproveitamento energético nos resíduos sólidos é estimar a geração de biogás durante a fases de operação e após o encerramento do aterro. Diante do exposto, este artigo tem o objetivo de calcular a estimativa da geração de biogás no aterro sanitário do município de Lençóis Paulista, localizado no interior do Estado de São Paulo, que tem previsão para início de suas operações no ano Para estimar a geração utilizou-se o software Biogás 1.0. A estimativa aqui proposta será útil para subsidiar estudos futuros do aproveitamento energético do biogás contido no aterro como fonte de alternativa de geração de energia. 2. REVISÃO DE LITERATURA 2.1 Política Nacional de Resíduos Sólidos Em 2010 foi aprovada a Lei Federal nº que instituiu a Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS), tendo sido regulamentada pelo Decreto nº Decreto Federal nº de 23 de dezembro de A PNRS abre possibilidade de realização de planos integrados regionais intermunicipais, estimula a inclusão de catadores como forma de redução das desigualdades sociais, reforça o compromisso voluntário com metas de redução da emissão de gases de efeito estufa, propõe mudanças para a cadeia de produção e consumo com foco na análise do ciclo de vida do produto, através da logística reversa e da responsabilidade compartilhada. No que tange à disposição final dos resíduos esta política propõe a alternativa da obtenção de energia a partir dos resíduos sólidos, como se segue: Art. 9º Na gestão e gerenciamento de resíduos sólidos, deve ser observada a seguinte ordem de prioridade: não geração, redução, reutilização, reciclagem, tratamento dos resíduos sólidos e disposição final ambientalmente adequada dos

4 84 rejeitos. 1º Poderão ser utilizadas tecnologias visando à recuperação energética dos resíduos sólidos urbanos, desde que tenha sido comprovada sua viabilidade técnica e ambiental e com a implantação de programa de monitoramento de emissão de gases tóxicos aprovado pelo órgão ambiental. É importante observar que existe uma ordem de prioridade que inclui a não geração, redução, reutilização e a reciclagem antes dos procedimentos de tratamento e disposição final dos resíduos sólidos, determinando, principalmente, que tecnologias de recuperação energética somente devem ser envidadas depois de esgotadas as prioridades estabelecidas hierarquicamente. A PNSR também aborda com muita propriedade a questão social que envolve os resíduos sólidos urbanos, considerando que cabe ao titular dos serviços públicos de limpeza urbana e de manejo de resíduos sólidos, estabelecer a coleta seletiva, realizar a articulação com agentes econômicos e sociais o retorno ao ciclo produtivo dos resíduos sólidos reutilizáveis e recicláveis oriundos dos serviços de limpeza urbana e de manejo de resíduos sólidos, priorizando a organização e o funcionamento de cooperativas ou de outras formas de associação de catadores de materiais reutilizáveis e recicláveis formadas por pessoas físicas de baixa renda, bem como sua contratação. 2.2 Formação do biogás nos aterros Zanette (2009) afirma que para avaliar a viabilidade econômica do aproveitamento do biogás em aterros sanitários, é necessário estimar inicialmente a produção de metano durante a vida útil do aterro, que irá determinar o potencial de recuperação de energia e geração de eletricidade e os custos de investimento e operação e manutenção de cada projeto. Segundo FILHO (2005), a capacidade de um aterro gerar gás vai depender de muitos fatores como, por exemplo, a composição do resíduo, umidade, ph, entre outros. Segundo o autor, os fatores que afetam a geração de biogás são descritos a seguir:

5 85 a) Composição do resíduo quanto maior a porcentagem de material orgânico no resíduo, maior será o potencial de produção de biogás no aterro. Resíduos de alimentos são exemplos de matéria orgânica facilmente decomposta, o que acelera a taxa de produção do gás. Materiais que se decompõe lentamente, como grandes pedaços de madeira, não contribuem significantemente com a geração de gás; b) Umidade Depende da umidade inicial do resíduo, da infiltração da água da superfície e do solo, e da água produzida na decomposição. Quanto maior o teor de umidade, maior será a taxa de produção do biogás; c) Tamanho das partículas quanto menor a unidade da partícula, maior será a área da superfície específica e, portanto, a decomposição será mais rápida se comparada a uma partícula de menor área. Por exemplo, a decomposição de um tronco de madeira ocorrerá mais rápida se este for cortado em pedaços menores ao invés de ser disposto inteiro; d) Idade do resíduo a geração do biogás num aterro possui duas variáveis dependentes do tempo: tempo de atraso (período que vai da disposição do resíduo até o início da geração do metano) e tempo de conversão (período que vai da disposição do resíduo até o término da geração do metano); e) ph Dentro da faixa ótima de ph a produção do metano é maximizada e fora dessa faixa um ph abaixo de 6 ou acima de 8 a produção de metano fica estritamente limitada; f) Temperatura As condições de temperatura de um aterro influenciam os tipos de bactérias predominantes e o nível de produção de gás. As máximas temperaturas do aterro frequentemente são alcançadas dentro de 45 dias após a disposição dos resíduos, como um resultado da atividade aeróbia microbiológica. Elevadas temperaturas de gás dentro de um aterro são o resultado da atividade biológica. As temperaturas típicas do gás produzido eu um aterro variam, entre 30 a 60º C; e g) Outros fatores Outros fatores que podem influenciar a taxa de geração de gás são os nutrientes, bactérias, compactação de resíduos, dimensões do aterro (área e profundidade), operação do aterro e processamento de resíduos variáveis. O gás metano, constituinte do biogás em grande proporção, pode ser

6 86 apresentado como uma importante alternativa energética, visto que, por estar presente no lixo e no esgoto é, praticamente, inesgotável. Portanto, o biogás pode realizar significativo papel na substituição do petróleo e seus derivados (LAENDER, 2004). Segundo Filho (2005), os gases que são encontrados nos aterros incluem o amoníaco (NH3), o dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), hidrogênio (H2), sulfeto de hidrogênio (H2S), metano (CH4), nitrogênio (N2) e oxigênio (O2). O metano, com 61,9% do volume o dióxido de carbono, com 36,7% são os principais gases procedentes da decomposição anaeróbia dos componentes biodegradáveis dos resíduos orgânicos nos RSU. Ainda de acordo com o autor, a qualidade e a quantidade do gás metano no aterro podem variar de acordo com a quantidade e a composição dos resíduos, tipos de resíduos, com a decomposição biológica, condições ambientais e operação de aterros. O metano é produzido nos aterros para resíduos sólidos a partir da decomposição bacteriana dos resíduos orgânicos sob condições anaeróbicas (ZANETTE, 2009). Segundo Alves (2000) apud Figueiredo (2005), a presença de substâncias não combustíveis no biogás (água, dióxido de carbono) prejudica o processo de queima tornando-o menos eficiente. Estas substâncias entram com o combustível no processo de combustão e absorvem parte da energia gerada. O poder calorífico do biogás se torna menor à medida que se eleva a concentração das impurezas. Para fins de geração de biogás, a alternativa mais interessante é a de aterros sanitários, visto que eles dispõem de técnicas de captação dos gases liberados, porém poucos municípios destinam lixo para aterros sanitários (FIGUEIREDO, 2005). Entretanto, métodos de estimativa de geração de metano (principal gás para obtenção de energia) em aterros sanitários apresentam dificuldade de interpretação e de certeza de resultados. Algumas metodologias para estimativa teórica da produção de gás metano em locais de deposição de resíduos sólidos urbanos são encontradas na literatura. Esses métodos variam em suas considerações, em sua complexidade e na quantidade de dados de que necessitam. Segundo CETESB (2003), apud Mendes e Sobrinho (2007), os métodos

7 87 variam de uma aproximação grosseira, considerando somente a quantidade de resíduo sólido doméstico (RSD) disposta no aterro, até métodos que considerem uma cinética de geração de biogás em função de três tipos importantes de parâmetros (condições climáticas locais, concentração de nutrientes no solo e composição do resíduo). A United States Environmental Protection Agency (USEPA) criou o programa Landfill Gas Generation (LANDGEM) que tem como base o Modelo Scholl-Canyo (FERNANDES, 2009). De acordo com este modelo, pode-se estimar a geração do gás metano através da seguinte equação: Qx = k Lo Rx e k(x T) (equação 1) Sendo: Qx = Vazão do metano (m³/ano) k = Constante de decaimento (1/ano) Lo = Potencial de geração de biogás (m³/kg) Rx = Fluxo de resíduos (t/ano) x = Ano atual T = Ano de deposição do rejeito A produção de metano aumenta gradualmente com a disposição de resíduos durante a utilização do aterro. Embora diminua de maneira acentuada após o fim da disposição de resíduos, o metano continua a ser produzido durante os anos seguintes. Segundo Zanete (2009), a partir dos dados da composição média dos resíduos sólidos urbanos, o potencial de produção de metano calculado para os resíduos sólidos no Brasil é de aproximadamente 150 m3 CH4/t resíduo. 2.3 Tratamento do gás do lixo (GDL) ou biogás O biogás, também chamado de gás do lixo (GDL) capturado de dentro do aterro possui alta temperatura e, ao ser conduzido pela tubulação acaba resfriando formando então um condensado que deve ser coletado em um tanque de captura.

8 88 Juntamente com o condensado ocorrem também particulados e outras impurezas. Caso não se remova esse condensado o sistema de coleta pode ser bloqueado interrompendo, então, o processo de recuperação de energia. O controle do condensado tem início no sistema de coleta onde são utilizados conectores e tubos inclinados para permitir a drenagem em tanques de captura e após a coleta o condensado é removido. Os métodos para disposição do condensado são: descarga no sistema público de esgoto, sistema de tratamento local, e recirculação para o aterro sanitário. O melhor método dependerá das características do condensado (em função dos componentes do lixo local), do custo do tratamento, além da legislação e regulação vigentes (TOLMASQUIM, 2003). O biogás precisa ser tratado em função da forma que será utilizado. De acordo com Tolmasquim (2003), para utilização do biogás em caldeiras, um tratamento mínimo é requerido; em gasodutos é indispensável um tratamento extensivo para remover o CO2. No caso da geração de energia podem ser utilizados filtros para a remoção de impurezas, visto que estas podem danificar os componentes do motor ou da turbina, reduzindo a eficiência do sistema. Durante as etapas do início e de manutenção do processo de obtenção do biogás pode haver necessidade de queima, o que é realizado pelo flare. Também pode ser utilizado para queima do biogás excedente entre os upgrades de sistemas, podendo ser abertos (ou vela) ou enclausurados. Estes últimos são mais caros, mas podem ser requeridos porque proporcionam testes de concentração e podem obter eficiências de combustão altas. Além do que, flares enclausurados podem reduzir o nível de ruído e iluminação (MUYLAERT, 2000). 2.4 Utilização de microturbinas para geração de energia em pequena escala Estudos recentes apontam que as microturbinas constituem uma nova opção tecnológica para recuperação energética especialmente em aterros localizados em municípios de pequeno porte, onde as grandes usinas geradoras de eletricidade em função da escala e dos aspectos econômicos não são viáveis. Segundo o Atlas Brasileiro de emissão de GEE (2013) vários projetos envolvendo microturbinas movidas a gás de aterro foram recentemente lançados,

9 89 demonstrando tanto os riscos como as vantagens dessas aplicações de pequena escala: Geralmente, as microturbinas são mais adequadas para aplicações relativamente pequenas (isto é, de menos de 1 megawatt (MW)) e são projetadas para fornecer eletricidade para atender as necessidades de energia do próprio local, bem como de usuários finais extremamente próximos do local de geração. Como ponto de referência, a capacidade de uma microturbina de 30 quilowatts (kw) e capaz de acionar um motor de 40 HP ou satisfazer as necessidades elétricas de aproximadamente 20 residências. (ABRELPE, 2013). O princípio de funcionamento das microturbinas é o mesmo observado nos sistemas de turbinas a gás de maior porte, porém a energia elétrica resultante é bem menor. De acordo com Hirano (2015), as microturbinas são compostas basicamente pelo compressor, pela câmara de combustão e pela turbina. Segundo o autor, o compressor é responsável pela elevação da pressão e pelo aumento da quantidade de ar injetado na câmara de combustão, local onde ocorre a mistura do ar à alta pressão e do combustível, ocorrendo a combustão, acionando a turbina, onde ocorre a expansão dos gases resultantes da combustão e a realização de trabalho mecânico acionando o gerador que produzirá energia elétrica. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Para estimar o volume gerado de gás metano utilizou-se o software livre Biogás 1.0, desenvolvido pela Secretaria de Meio Ambiente do Estado de São Paulo, Companhia de Tecnologia e Saneamento Ambiental do Estado de São Paulo e pelo Governo Federal, através do Ministério da Ciência e Tecnologia. Este software estima o volume de gás metano através das variáveis que compõe o modelo Modelo Scholl-Canyo e empregado também pelo software LANDGEM da USEPA (equação 1). No Quadro 1 estão identificados os parâmetros utilizados para alimentar o software

10 90 Quadro 1: Parâmetros utilizados para cálculo da estimativa do gás metano Constante de decaimento (k) (1/ano) 0,12 (Mendes & Sobrinho, 2005) Potencial de geração de biogás 0,074 (Calculado) (m³/kg) Lo Fluxo de resíduos (t/ano) (Rx) ,0 PMLP O município possui população de habitantes (IBGE, 2017). A coleta é realizada pela prefeitura municipal em 100% do município, o que totaliza em média a geração de 36,7 t/dia de resíduos. Desta forma, tem-se a geração per capita 0,546 kg/hab/dia. Os resultados da vazão podem ser observados na Figura 1. O Período de disposição dos resíduos inicia-se no ano De acordo com informações da Prefeitura do Município, a primeira área de disposição dos RSD possuirá ,0 m², suficiente para receber os resíduos pelo prazo de 5 anos. A área de construção do aterro possui capacidade para ampliações futuras, porém, devido ao desenvolvimento de novas tecnologias a serem empregadas futuramente e a questão de custo de investimento, o município optou por trabalhar com prazo de 5 anos. Figura 1: Estimativa da vazão do gás metano

11 91 O volume total de vazão estimado de acordo com o software é ,0 m³, o que representa 72,86 m³ de CH4/t de RSD, estimativa abaixo das observadas por Mendes e Sobrinho (2005) 125,0 a 310,0 m³ e Zanete (2009) 150,0 m³. Vários fatores podem contribuir para variação nas estimativas, desta forma, recomenda-se que outros modelos com estimativas de vazão sejam testados para verificar a aproximação aqui encontrada. A vazão do gás metano tem continuidade pelo período de 20 anos após o encerramento da disposição dos RSD. Como pode ser observado na Figura 2, O pico da vazão ocorre no ano 2022, gerando m³. Figura 2: Curva de vazão do gás metano Este pico de vazão é característico da fase III da decomposição dos RSD (entre 3 e 4 anos após a disposição), conhecida como fase ácida (FERNANDES, 2009). A partir deste ponto começa a declinar, voltando aos níveis iniciais até o ano Destaca-se que estudo é o primeiro passo para verificar a viabilidade do aproveitamento energético no aterro sanitário do município. Desta forma, faz-se

12 92 necessário calcular o potencial da geração de energia contido no gás metano aqui estimado e os investimentos necessários para aquisição dos equipamentos necessários para o tratamento do biogás e das microturbinas para conversão do gás em energia. 4. CONCLUSÃO De acordo com a PNRS os resíduos sólidos gerados nos municípios podem ser aproveitados como fonte de energia alternativa sustentável. Porém, para verificar a viabilidade técnica e econômica deste aproveitamento, é necessário conhecer a vazão do gás metano no processo de decomposição dos resíduos nos aterros sanitários. Através do software Biogás 1.0, estimou-se a vazão do gás metano a ser gerado pelos resíduos que serão dispostos no novo aterro sanitário do município de Lençóis Paulista, entre os anos 2018 e De acordo com os resultados, estima-se que serão gerados ,0 m³ de gás metano, o que representa 72,86 m³ de CH4/t de RSD. Porém, este é o primeiro passo para subsidiar um estudo para verificar a viabilidade do aproveitamento energético dos resíduos no novo aterro. Recomendase para futuros estudos analisar o potencial de geração de energia do gás metano e o volume de recursos financeiros para aquisição dos equipamentos empregados na conversão do gás em energia. Novos estudos são recomendados também para estimar a vazão do gás metano com os parâmetros aqui empregados através de outros modelos matemáticos. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ACEVEDO, C. R.; NOHARA J. J. Monografia no curso de administração: guia completo de conteúdo e forma. São Paulo: Atlas, Atlas Brasileiro de Emissões de GEE e Potencial Energético na Destinação de Resíduos sólidos. ABRELPE São Paulo, Disponível em

13 93 BRASIL. Lei Federal nº de 02 de agosto de Institui a Política Nacional de Resíduos Sólidos. Brasília, DF. Disponível em: Acesso em: 14 set FERNANDES, J. G. Estudo da emissão de biogás em um aterro sanitário experimental Dissertação (mestrado em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos)-Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, FIGUEIREDO, N. J. V. Utilização do biogás de aterro para geração de energia elétrica e iluminação a gás estudo de caso Trabalho de Graduação Interdisciplinar-Escola de Engenharia da Universidade Presbiteriana Mackenzie, São Paulo, Disponível em: Acesso em: 13 set FILHO, L. F. B. Estudo de gases em aterros de resíduos sólidos urbanos Dissertação (mestrado em Ciências em Engenharia Civil)-Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Disponível em: Acesso em: 15 set LAENDER, A. T. Combustíveis gasosos: biogás Trabalho de Pesquisa- Departamento de engenharia mecânica, DEMEC-Universidade Federal de Pernambuco, Recife, Disponível em Acesso em 15 de set MARCIO YUKIO HIRANO, M. Y. Geração de energia por microturbina alimentada à Biogás em uma propriedade rural - estudo de caso Dissertação (mestrado em Engenharia Mecânica) -Universidade Estadual Paulista, Bauru, MENDES, L. G. G.; SOBRINHO, P. M. Comparação entre métodos de estimativa de geração de biogás em aterro sanitário. Departamento de Energia - Campus Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista UNESP. Rev. biociência, Taubaté, v.13, n.3-4, p , jul./dez MENEZES, E. S.; SILVA, E. L. Metodologia da pesquisa e elaboração de dissertação. Florianópolis: Universidade Estadual de Santa Catarina, (Apostila). MUYLAERT, et al. Consumo de energia e aquecimento do planeta Análise do mecanismo de desenvolvimento limpo (MDL) do Protocolo de Quioto Estudo de Caso. Rio de janeiro: Editora, 2000, COPPE, 247 p.

14 94 TOLMASQUIM, M. T. Fontes renováveis de energia no Brasil. Rio de Janeiro: Interciência, Cinergia, ZANETTE, L. A. Potencial de aproveitamento energético do biogás no Brasil Dissertação de Mestrado do Programa de Planejamento Energético, COPPE. Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, Disponível em: Acesso em: 25 set. 2015