Estudo da viabilidade energética e ambiental do sistema de biogasificação para resíduos orgânicos domiciliares: O caso da cidade de São Paulo

Estudo da viabilidade energética e ambiental do sistema de biogasificação para resíduos orgânicos domiciliares: O caso da cidade de São Paulo Karla Nunes dos Santos 1 Prof Sérgio Almeida Pacca 2 Resumo: A cidade de São Paulo possui população de mais de 11 milhões de habitantes, os quais contribuem para uma produção diária 6,3 mil toneladas de resíduos orgânicos. Os resíduos orgânicos, quando destinados e tratados da maneira correta, demonstram grande potencial para recuperação de material e produção de energia. Este estudo visou analisar a viabilidade energética e ambiental da implantação do sistema de biogasificação (digestão anaeróbia) para o tratamento de resíduos orgânicos domiciliares da cidade de São Paulo. Foram feitas análises quantitativas e qualitativas dos dados para identificar o potencial de produção de energia em quatro biodigestores anaeróbicos diferentes (alimentação contínua, descontínua, afluente com alto teor de sólidos e baixo teor de sólidos) e, contabilizar a diminuição das emissões de CO2e com a utilização do sistema de tratamento e com a substituição de parte do gás natural pelo biogás produzido nos biodigestores. Os resultados mostraram que o biodigestor de alimentação descontínua foi o que apresentou maior potencial de produção de energia, podendo suprir 74% do consumo do gás natural consumido na cidade. O cenário que apresentou menores emissões de CO2e, foi, também, com a substituição de 74% do gás natural pelo biogás. 1 - Karla Nunes dos Santos - E-mail:karlinhansantos@hotmail.com 2 - Prof Sérgio Almeida Pacca - Escola de Artes, Ciencias e Humanidades - Universidade de São Paulo - Av Arlindo Bettio, 1000 - São Paulo, SP - E-mail: spacca@usp.br

INTRODUÇÃO Os efeitos colaterais da sociedade humana em decorrência dos atuais padrões de consumo, modelo de desenvolvimento e crescimento econômico são inúmeros. Um efeito importante e que atualmente merece atenção devido ao seu constante crescimento, é a geração de resíduos sólidos urbanos (RSU) (TABASOVÁ et al., 2012). Mais da metade dos resíduos sólidos no Brasil são orgânicos e representam uma parte importante na área de tratamento de resíduos (PGIRS, 2014). Quando destinados e tratados da maneira correta, estes podem ser transformados em energia, possibilitando uma minimização do volume de resíduos em aterros e maximização da produção de energia, demonstrando um grande potencial em termos de recuperação de material e energia (ARAFAT et al., 2013). Diariamente a cidade de São Paulo produz 6,3 mil toneladas de resíduos orgânicos, que em sua grande parte, são enviados para aterros sanitários. O montante produzido diariamente na cidade representa um grande potencial para produção de biofertilizantes, biogás e energia, mas que atualmente ainda não é muito bem aproveitado. Neste contexto, o objetivo do trabalho é analisar a viabilidade energética e ambiental da utilização do sistema de biogasificação para tratamento dos resíduos orgânicos domiciliares da cidade de São Paulo. 2

Revisão Bibliográfica 1. São Paulo Geração e tratamento de resíduos orgânicos São Paulo, com seus mais de 11 milhões de habitantes, representam cerca de 58% da população da região metropolitana de São Paulo (IBGE, 2012). De acordo com o Plano de Gestão Integrada de Resíduos Sólidos da Cidade de São Paulo PGIRS (2014), a cidade alcançou, em 2012, uma geração média de 20,1mil t/dia de resíduos sólidos, onde os resíduos mais representativos, que são de responsabilidade pública, são os de origem domiciliar, com 12 mil t/dia Dentre a produção diária de resíduos domiciliares, cerca de 6,3 mil toneladas são de resíduos orgânicos, como pode ser observado no gráfico 1. Tais resíduos, poderiam ser encaminhados para um sistema de tratamento adequado, entretanto, grande parte são encaminhados para aterros sanitários (PGIRS, 2014). Gráfico 1- Produção diária de resíduos de São Paulo (mil t/dia) - gravimetria resíduos domiciliares Fonte: Elaboração da própria autora Estima-se que em um período de 33 anos (1974-2007) cerca de 2,3 milhões de metros quadrados foram utilizados para dispor a montante de resíduos produzida na cidade (PGIRS, 2014). Contudo, no cenário atual que São Paulo se encontra, conceder um espaço como este para disposição de resíduos é altamente inviável. Sob este cenário, a cidade reconheceu a importância de novas metodologias e redefiniu as tecnologias que serão utilizadas para o manejo dos resíduos gerados. Dentre elas estão: Instalações de novas destinações para os resíduos coletados, que contribuirão para a máxima segregação dos mesmos nas fontes geradoras; Elaboração de plano de 3

coletas seletivas, que englobarão resíduos domiciliares orgânicos e recicláveis secos, resíduos orgânicos de feiras, mercados e escolas e, resíduos de construção civil; Reconhecimento do resíduo orgânico como bem econômico, com capacidade de gerar trabalho, renda, e promover a cidadania (PGIRS, 2014). A Conferência Municipal do Meio Ambiente CMMA (2013) também criou novos objetivos para melhorar a gestão e manejo dos resíduos sólidos domiciliares. Sendo estes: Através de educação e comunicação social, incentivar a não geração de resíduos; Estabelecer sistemas eficientes e mecanizados de compostagem e biodigestão, a fim de garantir controle de qualidade do composto e não contaminação do local; Utilizar a digestão anaeróbia de resíduos provenientes da coleta indiferenciada para tratar os resíduos orgânicos. Sob o cenário de melhorar o manejo de resíduos, foi lançado, no final de 2014, o projeto Composta São Paulo, iniciativa da Secretaria de Serviços da Prefeitura de São Paulo, que vida conscientizar moradores da cidade sobre a compostagem doméstica como forma de reciclar os resíduos orgânicos produzidos nas residências (PMRS, 2015). A compostagem é um sistema de tratamento de resíduos orgânicos com muitos benefícios, tendo como produtos: CO2, H2O e composto orgânico (MMA, 2012). O sistema de digestão anaeróbia ou biogasificação, por sua vez, além de ter o composto orgânico como produto, também é fonte de energia renovável, através da produção de biogás (ABRELPE, 2013). 2. Sistema de digestão anaeróbia / biogasificação A digestão anaeróbia, conhecida também como biogasificação, trata-se de um processo natural de decomposição de matéria orgânica. Ela ocorre na ausência de oxigênio, através de vários microrganismos que contribuem para uma série de transformações bioquímicas, as quais convertem complexas macromoléculas em compostos de baixo peso molecular, como biometano, dióxido de carbono, água e nutrientes (SANTOS et al., 2011). Curry e Pillay (2011) ressaltam que utilizar o sistema de digestão anaeróbia como tratamento de resíduos orgânicos, pode ser muito favorável, uma vez que produz energia renovável, reduz a quantidade de resíduos enviados para aterros, reduzindo consequentemente os custos de transporte e as emissões de gases de efeito estufa. 4

Eles destacam ainda que se os resíduos orgânicos fossem separados dos materiais recicláveis na fonte, e fossem tratados em reatores anaeróbios de pequena escala, isso poderia trazer uma solução para os problemas crescentes da geração de lixo. Tal ação contribuiria simultaneamente para redução dos requisitos de energia externa e emissões de gases de efeito estufa. Aquino e Chernicharo (2005) ressaltam que o uso de tal tecnologia para o tratamento de resíduos orgânicos torna-se cada vez mais atraente para o cenário brasileiro, isso porque as condições climáticas locais contribuem para um melhor funcionamento do sistema. A digestão anaeróbia é um processo que ocorre em vários estágios bioquímicos consecutivos, onde diferentes grupos de microrganismos agem. Pontes (2005) ressalta que em cada fase, produtos intermediários são gerados e processados. A digestão anaeróbia ocorre em quatro fases distintas: hidrólise, acidogênese, acetogênese e metanogênese. A degradabilidade do processo de digestão anaeróbia é diretamente influenciada por variáveis como, temperatura, ph, presença de nutrientes, carga orgânica e umidade (HOUSE, 2006). Pelo fato de tais parâmetros influenciarem a degradabilidade dos resíduos, eles também estão relacionados à quantidade de biogás produzida pelo sistema de digestão anaeróbia (PONTES, 2005). Visto isso, o presente estudo optou por fazer uma revisão da literatura para analisar o rendimento de biogás através de diferentes experimentos de sistemas de digestão anaeróbia. 3. Exemplos da literatura Durante a revisão da literatura foram encontrados estudos de tratamento de resíduos orgânicos em biodigestores de alimentação contínua, os quais operam com cargas diárias de matéria orgânica; em biodigestores de alimentação descontínua (batelada), onde o processo ocorre através de carga única; biodigestores com alto teor de sólidos (ATS) ou via seca e, baixo teor de sólidos (BTS) ou via úmida. Dessa forma, foram selecionados 3 estudos realizados no Brasil, onde cada um utilizou um dos sistemas citados acima. 5

Biodigestor de alimentação contínua Reis (2012), realizou o seu estudo com um biodigestor de alimentação contínua. O biodigestor utilizado foi feito de fibra de vidro, com volume útil de 450L. O funcionamento do biodigestor ocorreu dentro da faixa mesofílica, tendo temperatura média 25 a 30 C, com picos de até 35 C. Para a inoculação do biodigestor foi utilizado 30kg de esterco bovino seco à temperatura ambiente e 150L de esgoto sintético elaborado em laboratório. Diariamente, o substrato afluente foi constituído por 2 kg de resíduos orgânicos triturados, adicionados a 10 L de água, sendo equivalente a uma carga orgânica volumétrica média de 0,448 kg DQO/m 3 /dia. A produção de gases iniciou-se com média de 0,2 m 3 por semana, aumentando para 0,67 m 3 e, atingiu valores superiores a 0,9 m 3 por semana na última fase do processo (devido a recirculação do efluente). Assim, o sistema teve uma produção média de biogás de 0,6 m 3 /semana. O biogás possuía valores médios de 66% de metano (após recuperação com bicarbonato de sódio), alcançando até 85%, com a recirculação do efluente. De acordo com as características do efluente produzido, Reis (2012) destaca que é necessário o tratamento do mesmo para utilização como biofertilizante ou para descarte, devido as altas concentrações de matéria orgânica e nutrientes. Biodigestor de alimentação descontínua Picanço (2004), utilizou em seu estudo um biodigestor de alimentação descontínua (batelada). Em seu estudo, foi analisado o rendimento de diversos biodigestores, mas para o presente trabalho foi selecionada a análise com o biodigestor por batelada de fase única. Para tanto, foi utilizado um reator em PVC de forma cilíndrica com volume útil de 35L e, com recirculação direta de percolado. O afluente utilizado no processo foi composto de 15kg de resíduos orgânicos, e para a inoculação do biodigestor foi utilizado 20L de percolado. Após um período de 120 dias, a quantidade de biogás produzida foi de 1780L (1,78 m 3 ), o que nos dá uma produção de 0,10m 3 /semana de biogás. O biogás apresentou em média 50% de metano. Picanço (2004) ressalta ainda que o efluente final do processo não pode ser descartado nos cursos de água receptores, pois podem conter altas taxas de DQO e amônia. 6

Biodigestor com alto teor de sólidos e baixo teor de sólidos Leite et al. (2009), por sua vez, realizou seu estudo de tratamento de resíduos orgânicos em biodigestores com alto teor de sólidos (ATS) e baixo teor de sólidos (BTS), onde utilizou-se dois reatores com capacidade de 2.200L. O primeiro tratamento, com alta concentração de sólidos, foi realizado em um reator anaeróbio de alimentação descontínua (batelada). Neste reator o substrato utilizado foi de 949 kg resíduos sólidos orgânicos/m 3 com 169,7kg DQO e 20% em peso de sólidos totais. Em 270 dias produziu-se 30,2 m 3 de biogás, o que nos dá uma produção de 0,78m 3 /semana, com um percentual médio de 60% de metano. Já o segundo tratamento, com baixa concentração de sólidos, foi realizado em um reator anaeróbio compartimentado, que utilizou 841 kg RSO/m 3 com 35,6kg DQO e 5% em peso de sólidos totais. Nos primeiros 120 dias não ocorreu muitas variações na produção de biogás, alcançando valores entre 120 a 160L de biogás/dia. Após esse período (cerca de 170 dias), foi constatado um crescimento muito acentuado na produção de biogás, alcançando 280 L/dia, o que nos dá uma média de 1,4m 3 /semana de biogás. A relação de CH4/CO2 iniciou-se em 0,10, crescendo de forma gradual até alcançar a proporção de 60% CH4 / 40% CO2. Ao término do monitoramento dos dois sistemas (ATS e BTS), Leite et al. (2009), observaram que o efluente produzido não poderia ser utilizado ou descartado sem ter um tratamento prévio. Isso porque o lixiviado possuía elevada concentração de nitrogênio amoniacal. A tabela 1 a seguir ressalta melhor os resultados encontrados nos diferentes estudos com os sistemas de tratamento de digestão anaeróbia. Percebe-se que a produção do biogás apresentou uma grande variação, estando relacionada a quantidade de afluente e tipo de biodigestor utilizado. A concentração média de metano não apontou grandes oscilações, tendo uma concentração mínima de 50% e máxima de 70%. O efluente produzido, por sua vez, não pode ser utilizado sem antes passar por um tratamento. 7

Estudo Biodigestor Dias Afluente Produção média de Biogás Conc. média de Metano Efluente Reis (2012) Picanço (2004) Leite et al. (2009) Leite et al. (2009) Contínuo 600 2kg RSO/dia Tabela 1 - Produção de Biogás Compilado Literatura Fonte: Elaboração da própria autora 0,6 m3/semana 70% Descontínuo 120 15kg RSO 0,10 m3/semana 50% Alto teor de sólidos (20%) Baixo teor de sólidos (5%) 270 170 949kg RSO/m3 841kg RSO/m3 0,78 m3/semana 60% 1,4 m3/semana 60% Necessário tratamento Necessário tratamento Necessário tratamento Necessário tratamento 4. Análise e Discussão dos Resultados A partir dos dados de produção de biogás e concentração de metano nos diferentes sistemas de digestão anaeróbia, foi possível analisar o potencial de cada sistema para produção de energia através da combustão do metano. Com a energia produzida, analisouse também possíveis cenários para substituição do gás natural pelo biogás produzido. Levando em consideração tais substituições, foi analisado as emissões de CO2e para cada cenário. Sistema de Biogasificação potencial energético De acordo com os dados disponibilizados pela Secretaria de Energia de São Paulo, a cidade consumiu em 2013 cerca de 174 milhões de m³ de gás natural. Tal consumo, frente ao GLP, ainda é muito reduzido, visto que o ultimo teve mais de 360 milhões de quilos consumidos em 2013. O presente estudo selecionou o uso do gás natural para as análises devido a infraestrutura que o mesmo já possui para distribuição de gás, o que facilitaria a inserção e distribuição do biogás produzido pelo tratamento de digestão anaeróbia. O potencial de energia contido nos diferentes combustíveis pode ser determinado pelo poder calorífico inferior (PCI), Pauss et al. (1987) ressalta que o PCI do gás natural é de 8554 kcal/m³, e o do metano é de 8500 kcal/m³. Assim, com os dados de consumo de gás natural no ano de 2013 e do poder calorífico inferior do mesmo, podemos inferir que a quantidade de energia liberada na combustão do gás natural consumido em 2013 foi de 6.239 TJ. 8

A primeira parte da tabela 2 a seguir, leva em consideração o que foi levantado dos diferentes estudos, a segunda parte analisa tais dados para saber a montante necessária de afluente para produção de 1m³ de biogás, e em seguida, para produção de 1m³ de metano. Contínuo Descontínuo Baixo Teor de Sólidos (BTS) Alto Teor de Sólidos (ATS) Afluente 2 kg/dia 15 kg 841 kg/m³ 949 kg/m³ Dias de operação 600 dias 120 dias 170 dias 270 dias Produção de Biogás 0,6 m³/semana 0,1 m³/semana 1,4 m³/semana 0,8 m³/semana Concentração de Metano 70% 50% 60% 60% Afluente (kg/dia) 2,00 0,13 4,95 3,51 Afluente (kg/semana) 14,00 0,88 34,63 24,60 Afluente necessário para produção de m³ de Biogás (kg afluente/m³) Afluente necessário para produção de m³ CH₄ (kg afluente/m³ CH₄) 23,3 8,7 24,7 31,5 33,3 17,5 41,2 52,5 Tabela 2 - Produção de biogás e metano por diferentes biodigestores Fonte: Elaboração da própria autora Dessa forma, levando em consideração a montante de afluente necessária para produção de metano nos diferentes biodigestores (tabela 2) e que a cidade de São Paulo gera anualmente 2,3 milhões de toneladas, temos o potencial anual de produção de metano que cada sistema teria. O biodigestor contínuo apresenta potencial de produção de 6,9E+07 m³/ano; o descontínuo 1,3E+08m³/ano; BTS 5,6E+07 m³/ano e ATS 4,4E+07 m³/ano. O PCI do metano, como dito anteriormente é de 8500 kcal/m³ ou 35,56 MJ/m³. A partir do poder calorífico do metano e da produção anual do mesmo, podemos inferir a quantidade de energia que cada biodigestor anaeróbico teria potencial de produzir com a queima do biogás. O biodigestor contínuo apresentou potencial de 2453 TJ/ano; o descontínuo apresentou potencial de 4622 TJ/ano; o BTS 1991 TJ/ano e ATS 1564 TJ/ano. Dessa forma, temos diferentes biodigestores anaeróbicos com potenciais específicos de produção de energia. O gráfico 2 nos mostra este potencial em relação a energia do gás natural consumido em 2013. 9

Gráfico 2 - Potencial de produção de energia por diferentes biodigestores em relação a energia do gás natural consumido na cidade de São Paulo em 2013 (TJ/ano) Fonte: Elaboração da própria autora Com pode ser observado, o potencial de produção de energia dos biodigestores corresponde a uma fração da energia do gás natural consumido no ano. Seus potenciais de suprimento vão de 25 a 74%, como mostra o gráfico 3. Gráfico 3 - Potencial de suprimento do consumo de gás natural (%) Fonte: Elaboração da própria autora 10

Sistema de Biogasificação potencial ambiental A análise ambiental da utilização de digestores anaeróbicos para tratamento de resíduos orgânicos, visa comparar as emissões de CO2e da utilização de tal sistema de tratamento, frente as emissões provenientes da deposição dos resíduos orgânicos em aterros. O tratamento de resíduos orgânicos por digestão anaeróbia, tem como um de seus produtos, o dióxido de carbono (CO2), entretanto, por se tratar de um efluente de origem vegetal, o CO2 emitido durante o processo não foi contabilizado, uma vez que sua emissão fecha o ciclo do ciclo natural do carbono (EPA, 2014). Dessa forma, foi contabilizado as emissões de CO2e em aterros, proveniente da degradação de resíduos orgânicos; a emissão de CO2e evitada através da substituição de parte do gás natural (de origem fóssil) por biogás (de origem renovável) e, a emissão de CO2e gerada a partir do gás natural que não foi substituído por biogás. De acordo com estudo realizado pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos EPA (2015), os resíduos orgânicos dispostos em aterro tem uma emissão de 1,929 tco2e / t resíduo orgânico. Dessa forma, levando em conta a produção anual de resíduos orgânicos da cidade de São Paulo, temos que 4,4 milhões de toneladas de CO2e são emitidos anualmente. Como dito anteriormente, a energia do gás natural consumido em São Paulo, no ano de 2013, foi de 6.239 TJ. De acordo com o relatório do IPCC (2006), o fator de emissão da combustão do gás natural é de 56,1 tco2/tj, o que nos dá uma emissão de 350 mil tco2/ano. Os diferentes sistemas de digestão anaeróbia selecionados no presente estudo, mostraram ter uma produção variável de biogás, com respectivas concentrações de metano. Levando em conta o Poder Calorífico Inferior do metano, tivemos uma produção máxima de 4.622 TJ e mínima de 1.564 TJ de energia, que representam, respectivamente, 74 e 25% da energia do gás natural consumido em 2013. Levando em consideração uma substituição máxima de 74% e mínima de 25% do consumo do gás natural pelo biogás produzido nos biodigestores, e do fator de emissão da combustão do gás natural, teremos emissões de CO2 como apresentado na tabela 3. 11

Biodigestor Substituição Energia anual de Gás Natural não substituída Emissão anual de CO2 do Gás Natural Altor Teor de Sólidos (ATS) Descontínuo (Batelada) 25% 4.675 TJ/ano 262.268 tco2/ano 74% 1.617 TJ/ano 90.714 tco2/ano Tabela 3 - Emissão anual de CO2 proveniente da combustão do gás natural considerando substituição de gás natural Fonte: Elaboração da própria autora Dessa forma, considerando todas as emissões, evitadas ou não, temos os cenários apresentados na tabela 4 a seguir. Substituição Gás Natural por Biogás Emissão do aterro (tco2e/ano) Emissão evitada do Gás Natural (tco2/ano) Emissão Gás Natural (tco2/ano) Saldo (tco2e/ano) Cenário 1-4.435.736 0 350.023 4.785.759 Cenário 2 25% 0 87.740 262.268 262.268 Cenário 3 74% 0 259.294 90.714 90.714 Tabela 4 - Emissão anual de CO2 provenientes da combustão do gás natural considerando 3 cenários diferentes Fonte: Elaboração da própria autora O cenário 1, leva em consideração a não alteração do modo de tratamento dos resíduos orgânicos, emitindo assim, 4,78 milhões de toneladas de CO2e. O cenário 2, por sua vez, considera que os resíduos não são mais depositados em aterro, sendo tratados então por digestão anaeróbia e, com uma substituição de 25% consumo do gás natural pelo biogás, emitindo assim, 262,2 mil tco2e. Já o cenário 3, considera, assim como o cenário 2, o tratamento de resíduos orgânicos por digestão anaeróbia e uma substituição de 74% do consumo de gás natural para o biogás, emitindo 90,7 mil tco2e/ano. Para os cenários 2 e 3 não são contabilizados a emissão de CO2 para a combustão do biogás, pois como o afluente inicial é de origem vegetal, a emissão do CO2 acaba por fechar o ciclo do ciclo natural do carbono (EPA, 2014). Dessa forma, a emissão contabilizada nestes dois cenários está relacionada ao gás natural que não foi substituído por biogás. Assim, é notável que o tratamento de resíduos orgânicos com sistemas de digestão anaeróbia apresenta cenários positivos em relação a diminuição de emissão de CO2e. 12

Conclusão Com a análise energética, podemos observar que a produção de biogás, e consequentemente o potencial de produção de energia que cada biodigestor possui, são os mais variados. De acordo com a análise energética, o biogás produzido pelo processo de biogasificação apresenta um potencial de substituição do gás natural de 25 a 74%. Com a análise ambiental, foi observado que a não deposição dos resíduos orgânicos em aterros e a utilização do tratamento de biogasificação tem um potencial em contribuir para uma diminuição de 4,78 milhões de tco 2e/ano para 90,7 mil tco 2e/ano. Conclui-se que o fomento do sistema de biogasificação para o tratamento dos resíduos orgânicos da cidade de São Paulo, é viável, pois além de contribuir para diminuição da deposição de resíduos orgânicos em aterros, aumentando a vida útil do mesmo, o sistema apresentou um potencial de suprir em até 74% o gás natural consumido na cidade de São Paulo, o que pode contribuir para uma diminuição de até 98% das emissões de CO 2e. Atrelado a isto, de acordo com o Decreto N 60.298 do Estado de São Paulo (2014), o fomento de um tratamento que visa a produção de energia de origem renovável recebe apoio e incentivos do governo, como a isenção do pagamento do ICMS. 13

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