Disciplina: Manejo de Resíduos Sólidos. 10 Dimensionamento de Biogás. Professor: Sandro Donnini Mancini. Sorocaba, Outubro de 2018.

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1 Instituto de Ciência e Tecnologia de Sorocaba Disciplina: Manejo de Resíduos Sólidos Pós-graduação em Engenaria Civil e Ambiental Pós-graduação em Ciências Ambientais 10 Dimensionamento de Biogás Professor: Sandro Donnini Mancini Sorocaba, Outubro de Decomposição Anaeróbia Principal Reação Anaeróbia: fermentação C 6 H 12 O 6 3 CH CO 2 + energia = Metano ~ Gás Natural! Alto potencial energético! $$$$$ CH 4 = vezes pior que o CO 2 em termos de aquecimento global (IPCC, 2014). Destruir (combustão) moléculas de metano é interessante ambientalmente e pode gerar créditos de carbono. $$$$$ CH O 2 CO H 2 O + energia ( ~ kcal/kg) 1

2 BIODEGRADAÇÃO SEM INTERFERÊNCIA RESÍDUOS SÓLIDOS INORGÂNICO ORGÂNICO INERTE CARBO- HIDRATOS ÓLEOS E GORDURAS PROTEÍNAS HIDRÓLISE Açúcares e Alcóois Ácidos Graxos e Glicerol Aminoácidos ACIDIFICAÇÃO Ácidos Orgânicos NH 3 H 3 S H 2 Ácidos Acéticos METANOGENIZAÇÃO CH 4 CO 2 CHORUME GÁS 2

3 Biogás: geração, drenagem e potencial energético Baseado nos slides elaborados pelo Prof. Dr. Jorge Hamada (FEB-UNESP) e em Brito Filo, L.F. Estudo de Gases em Aterros de Resíduos Sólidos Urbanos. COPPE-UFRJ, Mestrado em Engenaria Civil. Rio de Janeiro-RJ, Disponível em ttp:// Composição Típica do biogás na fase metanogênica Componente Porcentagem (base seca) Metano Dióxido de Carbono Nitrogênio 2-5 Oxigênio 0,1-1,0 Sulfetos, dissulfetos, mercaptanas, etc. 0-0,1 Amônia 0,1-1,0 Hidrogênio 0-0,2 Monóxido de Carbono 0-0,2 Outros 0,01-0,6 Fases 100 I II III IV V Composição do gás (% em volume) O2 N2 H 2 CO2 CH4 N2 0 Tempo O2 Fase I - Adaptação Fase II - Transição Fase III - Fase ácida Fase IV - Metanogênese Fase V - Fase de Maturação 3

4 Etapas para o dimensionamento de biogás 1ª. Etapa - Caracterização gravimétrica do resíduo percentual de cada resíduo em massa - trabalo de campo; % restos de comida; papel; papelão, jardim, metais, plásticos, vidros, têxteis, couro etc... 2ª Etapa divisão destes entre rapidamente biodegradáveis (degradam em até 5 anos, como: restos de comida, papel, papelão, resíduos de jardim folas), lentamente biodegradáveis (degradam em até 15 anos, como têxteis, couro, madeira, borraca, resíduos de jardim galos) e não degradáveis (metais, plásticos e vidros). Estes últimos são excluídos. 3ª Etapa Caracterização gravimétrica em base seca trabalo de laboratório Equipamento: estufa 4ª. Etapa Caracterização Química trabalo de laboratório para determinar a composição de cada resíduo Equipamento: análise Elementar CHNS-O até 5 anos até 15 anos 4

5 Carbono 12 g 1 mol 19,83 kg x x = 1652,5 mols 1652,5 : 24,28 ~ 68,5 Carbono 12 g 1 mol g 320 mols 320 : 16,43 ~ 19,5 Hidrogênio 1 g 1 mol 2690 g mols Oxigênio 16 g 1 mol g 1206,87 mols Nitrogênio 14 g 1 mol 340 g 24,28 mols 2690 : 24,28 ~ 110,5 1206,87 : 24,28 ~ 50,1 24,28 : 24,28 = 1 Hidrogênio 1 g 1 mol 480 g 480 mols Oxigênio 16 g 1 mol 2440 g 152,5 mols Nitrogênio 14 g 1 mol 230 g 16,43 mols 480 : 16,43 ~ ,5 : 16,43 ~ 9,2 16,43 : 16,43 = 1 Resultados serão em base nitrogênio, ou seja, dividir tudo por 24,28 mols Resultados serão em base nitrogênio, ou seja, dividir tudo por 16,43 mols Assim, é como se todo o resíduo rapidamente biodegradável tivesse fórmula molecular C 68,5 H 110,5 O 50,1 N 1 De forma similar, é como se todo o resíduo lentamente biodegradável tivesse fórmula molecular C 19,5 H 29 O 9,2 N 1 5

6 Modelo de Tcobanoglous, Tessen & Vigil (1994). Desenvolvido para determinar o volume de gás a partir da conversão completa dos componentes lentamente e rapidamente biodegradáveis do resíduos lixo em CO 2 e CH 4. Determine o volume de metano produzido com 1 tonelada dos resíduos rapidamente e lentamente biodegradáveis do slide anterior. Dado: ρ CH4 =0,717 kg/m 3 Determine o volume de metano produzido com 1 tonelada dos resíduos rapidamente e lentamente biodegradáveis do exemplo. Dado: ρ CH4 =0,717 kg/m 3 Para a fração rapidamente biodegradável: C 68,5 H 110,5 O 50,1 N ,6 H 2 O 35,16 CH ,34 CO 2 + NH 3 Massa molar do resíduo: 1 mol de C 12 g 1 mol de H 1 g 68,5 mols x 110,5 mols 110,5 g x= 822 g 1mol de O 16 g 50,1 mols 801,6 g 1mol de N 14 g Massa molar do resíduo = ,5+801,6+14= 1748,1 g/mol 1 tonelada do resíduo tem 44,8% de fração rapidamente biodegradável, ou seja 448 kg 1,75 kg de resíduo 1 mol 448 kg 256 mols 6

7 Determine o volume de metano produzido com 1 tonelada dos resíduos rapidamente e lentamente biodegradáveis do exemplo. Dado: ρ CH4 =0,717 kg/m 3 Para a fração rapidamente biodegradável: C 68,5 H 110,5 O 50,1 N ,6 H 2 O 35,16 CH ,34 CO 2 + NH 3 Massa molar do resíduo = ,5+801,6+14= 1748,1 g/mol 1 tonelada do resíduo tem 44,8% de fração rapidamente biodegradável, ou seja 448 kg 1,75 kg de resíduo 1 mol 448 kg 256 mols Se 1 mol de resíduo gerou 35,16 mols de CH mols de resíduo mols de CH 4 1 mol de CH 4 tem 16 g 9000 mols terão 144 kg de metano ou 200,8 m 3 de metano Determine o volume de metano produzido com 1 tonelada dos resíduos rapidamente e lentamente biodegradáveis do slide anterior. Dado: ρ CH4 =0,717 kg/m 3 Para a fração lentamente biodegradável: C 19,5 H 29 O 9,2 N 1 + 8,4 H 2 O 10, 7 CH 4 + 8,8 CO 2 + NH 3 Massa molar do resíduo: 1 mol de C 12 g 1 mol de H 1 g 19,5 mols x 29 mols 29 g x= 234 g 1mol de O 16 g 9,2 mols 147,2 g 1mol de N 14 g Massa molar do resíduo = ,2+14= 424,2 g/mol 1 tonelada do resíduo tem 7,3% de fração lentamente biodegradável, ou seja 73 kg 0,424 kg de resíduo 1 mol 73 kg 172 mols 7

8 Determine o volume de metano produzido com 1 tonelada dos resíduos rapidamente e lentamente biodegradáveis do slide anterior. Dado: ρ CH4 =0,717 kg/m 3 Para a fração lentamente biodegradável: C 19,5 H 29 O 9,2 N 1 + 8,4 H 2 O 10, 7 CH 4 + 8,8 CO 2 + NH 3 Massa molar do resíduo = ,2+14= 424,2 g/mol 1 tonelada do resíduo tem 7,3% de fração lentamente biodegradável, ou seja 73 kg 0,424 kg de resíduo 1 mol 73 kg 172 mols Se 1 mol de resíduo gera 10,7 mols de CH mols de resíduo mols de CH 4 1 mol de CH 4 tem 16 g mols terão 29,4 kg de metano ou 40,3 m 3 de metano Uma tonelada de resíduos vai emitir todo esse metano ao longo do tempo. O modelo de Tcobanoglous et al. (1994) assume que as taxas anuais de decomposição para materiais rapidamente e lentamente decompostos se baseiam em um modelo triangular. Material rapidamente degradável Material lentamente degradável 3/4 2/4 1/ ,8 m 3 4/ ,3 m 3 7/10 Considerou-se ausência de biodegradação no primeiro ano (fase de adaptação) 8

9 Material rapidamente degradável Material lentamente degradável 3/4 2/4 1/ m 3 4/ / m 3 200,8 m 3 = (b. )/2 197,270 m 3 = (5. )/2 = 80,3 Nm 3 /ano 40,3 m 3 = (b. )/2 40,3 m 3 = (15. )/2 = 5,4 Nm 3 /ano 3/4 2/4 1/ Material rapidamente degradável = Nm 3 /ano, Total Gás produzido pelo material rapidamente degradável Gás produzido pelo material lentamente degradável 4/ /10 Material lentamente degradável = Nm 3 /ano Somatório considerando 5 anos de operação de aterro 9

10 OUTRA OPÇÃO: UNFCCC Ferramenta Metodológica: baseada em Oonk et al (1994) BE CH4,SWDS,y = ϕ y 16 kj ( y x ) kj ( 1 f ) ( 1 OX) F DOCf MCF Wj,x DOCj e ( 1 e ) 12 x= 1 j BE CH4,SWDS,y : é o metano gerado durante o ano y (t.ch 4 ); ϕ: Fator de correção; f: Fração de metano capturado que não será aproveitada; OX: Fator de oxidação; F: Fração volumétrica de gás metano no gás do aterro; DOCf: Fração de carbono orgânico degradável (DOC) que decompõe; MCF: Fator de correção para o metano; j: Tipo de resíduo; Wj,x: Quantidade de resíduos orgânicos tipo j no ano x (toneladas); DOCj: Fração de carbono orgânico degradável (em peso) nos resíduos tipo j; kj: Taxa de decaimento para os resíduos tipo j; j: Categoria do tipo de resíduo x: x=1 até x=y, quer dizer o ano durante o período de crédito de carbono; y: Ano para o qual as emissões de metano são calculadas, p.ex., ano 1, 2, 3... ttps://cdm.unfccc.int/eb/026/eb26_repan14.pdf (*) OUTRA OPÇÃO: UNFCCC baseada em Oonk et al (1994) BE CH4,SWDS,y = ϕ y 16 kj ( y x ) kj ( 1 f) ( 1 OX) F DOCf MCF Wj,x DOCj e ( 1 e ) 12 x= 1 j BE CH4,SWDS,y : é o metano gerado durante o ano y (t.ch 4 ); ϕ: Fator de correção usar 0,9; f: Fração de metano que não será aproveitada (medir); OX: Fator de oxidação usar 0,1 para casos de cobertura com terra; F: Fração volumétrica de gás metano no gás do aterro usar 0,5 DOCf: Fração de carbono orgânico degradável (DOC) que decompõe usar 0,5); MCF: Fator de correção para o metano usar 1,0 pois á compactação e cobertura; j: Tipo de resíduo, conforme carcaterização gravimétrica agrupada (ver DOCj); Wj,x: Quantidade de resíduos orgânicos tipo j no ano x (toneladas); DOCj: Fração de carbono orgânico degradável (em peso, base seca) nos resíduos tipo j usar 0,50 para madeira; 0,44 para papéis; 0,38 para alimentos; 0,30 para têxteis; 0,49 para resíduos de jardim. kj: Taxa de decaimento para os resíduos tipo j considerando pluviosidade maior que mm/ano (no Brasil a média é ~ 1780 mm/ano) considerar de degradação lenta papéis (k = 0,07) e madeira (k=0,035); de degradação média resíduos de jardim (usar k = 0,17); e de degradação rápida os alimentos (usar k=0,4). x: x=1 até x=y, quer dizer o ano durante o período de crédito de carbono; y: Ano para o qual as emissões de metano são calculadas, p.ex., ano 1, 2, 3... ttps://cdm.unfccc.int/eb/026/eb26_repan14.pdf (*) 10

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