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Estimativa Teórica da Geração de Biogás em Aterros Sanitários

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Estimativa Teórica da Geração de Biogás em Aterros Sanitários
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NECKER, Helder Sumeck [1]

CÂMARA, Patrícia Trabuco [2]

NECKER, Helder Sumeck; CÂMARA, Patrícia Trabuco. Estimativa Teórica da Geração de Biogás em Aterros Sanitários. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 2, Vol. 16. pp 356-363., março de 2017. ISSN: 2448-0959

RESUMO

Os resíduos sólidos urbanos na maioria das vezes não têm destinação final adequada, principalmente nas regiões menos desenvolvidas, como Norte e Nordeste, além disto, ainda são raros os aterros sanitários que apresentam projeto para aproveitamento do biogás gerado pela decomposição do resíduo neles depositado. Visando mostrar o potencial de geração de energia elétrica pelos aterros sanitários, o objetivo deste trabalho foi de estimar a quantidade de biogás que seria produzido em um aterro e o potencial energético que poderia ser aproveitado, através de modelos matemáticos existentes na literatura. Foram estimados, considerando uma cidade com população inicial de cerca de 120 mil habitantes, valores para as vazões médias de biogás da ordem de 410 m³ de biogás/h e um potencial de geração de energia de aproximadamente 3.750 MW/ano.

Palavras-chave: Biogás, Aterro Sanitário, Potencial Energético.

INTRODUÇÃO

O potencial energético dos Aterros Sanitários é pouco explorado no Brasil, a própria instalação desses aterros, principalmente nas regiões Norte e Nordeste do país ainda ocorre em poucos municípios, sendo que na maioria dos casos o resíduo é destinado a lixões a céu aberto ou para aterros que não estão de acordo com os parâmetros técnicos estabelecidos pela NBR 13.896 de 1997 que trata dos parâmetros de construção dos aterros sanitários para resíduos não-perigosos.

Segundo Ribeiro (2006), a humanidade vem selecionando seus sistemas energéticos ao longo da história em função de dois parâmetros fundamentais: disponibilidade técnica e viabilidade econômica, porém, recentemente outra variável que também condiciona o aval de qualquer sistema energético tem sido incorporada, são os impactos que seu uso possa ocasionar ao meio ambiente.

Como ressalta Vanzin (2006), o crescimento da população e das atividades industriais traz uma demanda cada vez maior de energia e também o aumento do descarte de resíduos sólidos, que, por sua vez, vão ocasionar problemas ambientais e relativos à oferta e aos custos da energia.

O Aterro Sanitário, além de uma forma adequada de destinação dos resíduos sólidos, também pode se tornar uma potencial fonte de energia, devido ao metano presente no biogás, que é liberado pela decomposição anaeróbia da parte orgânica presente nos resíduos, um gás de grande potencial energético. Diversos estudos têm sido desenvolvidos para o aproveitamento energético do biogás, principalmente nos grandes aterros (ENSINAS 2003; MONTILHA, 2005; ABREU, 2007, VANZIN et al., 2008)

Considerando que diversas cidades do Brasil estão cituadas numa faixa de cerca de 120 mil habitantes, este artigo tem como objetivo estimar a quantidade de biogás e consequentemente a energia que pode ser gerada em aterros sanitários e verificar a viabilidade econômica para a implantação de um sistema que permita a utilização do biogás gerado como fonte de energia.

DESENVOLVIMENTO

O gás metano tem um potencial de aquecimento aproximadamente 20 vezes maior que o do dióxido de carbono, sendo responsável por 25% do aquecimento global. EPA (2007). Nesse sentido, segundo ENSINAS (2003), em aterros sanitários devem ser realizados projetos que visam a recuperação do biogás do aterro, com a principal finalidade de aproveitamento da energia contida nesse produto da decomposição anaeróbia do resíduo, como a geração de eletricidade, bem como por motivos de segurança, saúde púbica e ambiental.

O Processo de decomposição do resíduo nos aterros sanitários ocorre basicamente em duas fases: primeiramente, devido à presença de oxigênio acontece a decomposição pelas bactérias aeróbias, denominada fase de acidificação, nesta fase, ainda não ocorre a formação do biogás, em seguida, quando há ausência de oxigênio, entram em ação as bactérias menatogênicas, que fazem a decomposição anaeróbia da parte orgânica do resíduo, gerando o biogás. Portanto, resíduos com maiores teores de matéria orgânica serão melhores produtores de biogás.

De acordo com D’Almeida e Vilhena (2000), mais de 50% do resíduo urbano no Brasil é composto de matéria orgânica, porém essa quantia vem diminuindo, demonstrando uma mudança no hábito dos brasileiros, devido às mudanças econômicas que estão em curso.

A forma mais simples de coletar gases do aterro é através da extração do biogás por meio de tubos verticais perfurados. Podem ser colocados tubos de sucção horizontais quando o resíduo ainda está sendo depositado no aterro e assim ele poderá ser extraído desde o início da sua produção (WILLUMSEN, 2001).

As propriedades físico-químicas do biogás têm natural influência na tecnologia que deve ser empregada em sua depuração e combustão. Como mistura variável de diferentes gases, o biogás tem poder calorífico e densidade que variam com a concentração relativa de cada um de seus constituintes. Essas propriedades são importantíssimas para a engenharia de equipamentos adequados ao biogás (CCE, 2000).

Portanto, o método de utilização para produção de energia irá definir o nível de tratamento que será necessário ser aplicado ao gás e os custos com instalação e capacitação técnica para operação do sistema de tratamento. A utilização do gás como combustível para caldeiras requer baixo nível de tratamento e menos custos, porém será utilizado um gás com poder calorífero mais baixo, enquanto a utilização do mesmo como Gás Natural Veicular requer irá tratamentos mais complexos e caros com objetivo de elevar a pureza do biogás para níveis superiores a 95% de metano.

Para Monteiro (2001), os principais fatores que tem influência nas características dos RSU de uma cidade são os climáticos, demográficos, socioeconômicos e épocas especiais (final de ano, carnaval, festas típicas, etc.).

Para a estimativa do biogás que seria gerado em um aterro sanitário de uma cidade com população de 120 mil habitantes, foram utilizados modelos que fazem a estimativa teórica de produção de biogás e metano em aterros sanitários, alguns modelos são simples e servem apenas como uma estimativa inicial, outros, porém, são mais elaborados e próximos da realidade.

De acordo com Börjensson e outros (2000, apud BRITO FILHO, 2005), as modelagens matemáticas são ferramentas necessárias para entender três processos, que são: as emissões de LFG (landfill gás, ou biogás, ou gás de aterro), a recuperação de biogás mediante sua extração e a oxidação do metano. Os modelos matemáticos são também ferramentas úteis e econômicas para avaliar o potencial de geração de LFG no local (BRITTO, 2006).

METODOLOGIA

1. Método de Decaimento de Primeira Ordem

Em USEPA (1991) é apresentado o “Método de Decaimento de Primeira Ordem”, o qual considera que o biogás continua sendo emitido por longos períodos de tempo, considerando assim outros fatores que influenciam a sua taxa de geração, que se dá pela seguinte equação:

Q = Lo(e-k.c – e-k.t) (2.1)

Sendo que Q é a geração de metano pelo aterro no ano, Lo é o potencial de geração de metano do resíduo, R é a média anual de deposição do resíduo durante a vida útil do aterro, K é a constante de decaimento,C é o tempo desde o fechamento do aterro e T é o tempo desde a abertura do aterro.

Para utilização da metodologia proposta em USEPA (1991) foi considerado uma situação em que o aterro sanitário receberá os resíduos sólidos por um período de 20 anos, sendo esta, portanto, sua vida útil.

Conforme Mendes e Sobrinho (2007) a constante de decaimento é função de fatores como disponibilidade de nutrientes, pH, temperatura e, principalmente, umidade e os valores sugeridos para K podem variar de 0,01 ano-1 a 0,09 ano-1.

O potencial de geração de metano do resíduo (Lo) depende da composição do resíduo e das condições para o processo de metanização do aterro. Segundo Britto (2006) os valores encontrados na literatura para os aterros sanitários dos Estados Unidos são de 270 m3 de CH4/t de resíduo, sendo este o valor utilizado nos cálculos.

Foi considerado ao crescimento da população da ordem de 1% ao ano. A média anual de deposição de resíduo foi de 31.963 toneladas. O valor K da constante de decaimento foi considerada de 0,05 ano-1.

Este modelo é interessante de ser aplicado para estimar a geração de metano nos anos posteriores ao fechamento do aterro, pois quando calculado para períodos em que o aterro ainda esteja em funcionamento apresenta resultados que não condizem com a realidade, mostrando uma grande geração de CH4 no primeiro ano de funcionamento, o que sabemos que não acontece, pois esse ápice de geração de gás acontece quando o aterro está em idade mais avançada, porém com essa metodologia podemos estimar um pico de geração de gás de 14.828.760 m3 de CH4/ano, tendo como média num período de 35 anos de 7.040.749 m³ por ano.

2. LandGEM – Landfill Gas Emissions Model, Version 3.02

O LandGEM é uma planilha desenvolvida pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos que busca estimar as emissões de biogás especificamente para aterros sanitários. Baseado em dados empíricos obtidos nos Estados Unidos, pode prejudicar as estimativas para aterros instalados em outras partes do mundo. O software consiste em uma planilha no ambiente Microsoft Office Excel, onde o usuário insere os dados de seu projeto, são eles: os anos de abertura e fechamento do aterro, parâmetros de índice de geração de metano, capacidade de geração de metano do resíduo, percentual de metano em relação ao volume de biogás e o total de resíduo depositado no aterro a cada ano de funcionamento.

Ao final, o programa fornece tabelas com as quantidades de biogás e metano, além de outras inúmeras substancias, produzidas ao longo de cada ano e também mostra estes mesmo resultados em forma de gráficos.

Considerando o início das operações para 2016, as emissões atingem o auge de produção no ano de 2037, com 5.722.000 m3 de biogás/ano, que é o ano após o fechamento do aterro sanitário considerado na simulação com uma vida útil de 20 anos, após esse período as emissões passam a diminuir, porém ainda continuam ocorrendo por muitos anos, como podemos verificar no gráfico abaixo:

Figura 1 – Gráfico mostrando a variação das emissões de biogás e metano ao longo dos anos. Fonte: LandGEM

É importante o conhecimento do Método de Decaimento de Primeira Ordem, pois com ele são apresentados todos os fatores que influenciam na geração do biogás, nota-se também que ambas as metodologias apresentaram dados semelhantes, porém o método LandGEM resulta em dados mais realistas e melhor distribuídos ao longo dos anos, mostrando um grande potencial de produção de biogás ao longo da vida útil do aterro sanitário.

CONCLUSÃO

Vimos através dos resultados, que com a quantidade de produção estimada de biogás para aterros sanitários de cidades com 120 mil habitantes, pode ser viável um projeto de aproveitamento energético do mesmo, com a necessidade de estudos mais aprofundados em relação aos custos que serão necessários para instalação e manutenção do sistema e o retorno financeiro que o projeto pode gerar ao município.

Mesmo um aterro considerado de pequeno porte pode gerar uma quantidade significativa de energia sendo viável tanto do ponto de vista técnico e econômico quanto do ambiental, é notório também que esta é uma tecnologia crescente nos países desenvolvidos e que futuramente se tornará importante no Brasil.

Apesar de os países desenvolvidos já estarem desenvolvendo outras formas de destinação para os resíduos sólidos, como a incineração por exemplo, no Brasil nem mesmo os aterros sanitários são amplamente utilizados, predominando a ocorrência de lixões, sem qualquer controle do meio ambiente em que estão inseridos.

O estudo sobre a geração de biogás em aterros, possibilitaria o surgimento de uma grande fonte alternativa de energia para o país, ao mesmo tempo em que o problema relacionado a destinação dos resíduos sólidos seria solucionado.

É interessante verificar que o biogás gerado pode ter seu uso empregado de diversas maneiras, como, combustível para caldeiras, geração de energia através de motores e microturbinas e purificado para uso como combustível veicular. Há também a possibilidade de ganhos com a venda de créditos de carbono, para isso um projeto também deverá ser feito junto com um estudo mais aprofundado para a verificação da viabilidade econômica para tal opção.

REFERÊNCIAS

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 13.896 – Aterros de resíduos não perogosos – Critérios para projeto, implantação e operação, 1997.

ABREU, W. S. de. Estudo de viabilidade técnica financeira da geração de energia elétrica a partir do aterro sanitário da cidade de Taubaté. Taubaté, SP: UNITAU, 2007.

BRITO FILHO, L. F. de. Estudo de Gases em Aterros de Resíduos Sólidos Urbanos. 2005. 218 p. Dissertação (Mestrado) Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro.

BRITTO, M. L. C. P. S. Taxa de Emissão de Biogás e Parâmetros de Biodegradação de Resíduos Sólidos Urbanos no Aterro Metropolitano Centro. Tese de Mestrado, Salvador, Bahia, 2006.

CCE – CENTRO PARA CONSERVAÇÃO E ENERGIA. Guia Técnico de Biogás. Amadora – Portugal, 2000. 117p.

D’ALMEIDA, M. L. O.; VILHENA, A. Lixo municipal: manual de gerenciamento integrado. 2.ed. São Paulo, IPT/Cempre, 2000.

ENSINAS, A. V. Estudo da geração de biogás no aterro sanitário Delta em Campinas SP. Campinas, SP: UNICAMP, 2003.

MENDES, L. G. G.; SOBRINHO, P. M. Comparação entre Métodos de Estimativa de Geração de Biogás em Aterro Sanitário. Rev. biociên., Taubaté, São Paulo, 2007

MONTEIRO, J. H. P. Manual Integrado de Gerenciamento de resíduos Sólidos. Rio de Janeiro: IBAM, 2001. 197 p. Disponível em: <http://www.ibam.org.br/estudos>. Acessado em: 10 mai. 2013.

MONTILHA, F. Biogás – energia renovável. São Paulo: Univ. Anhembi Morumbi, 2005.

RIBEIRO, Suzana. Apresentação feita em sala de aula, MBE Coppe/ UFRJ, turma 14.

USEPA – United State Environmental Protection Agency – A guide for methane mitigation projects, Gas-to – Energy at Landfills and Open Dumpings. Air and Radiation (6202) Editors: Mark Orlic and Tom Kerr. Draft version 2, nov. 1996.

VANZIN, E. Procedimento para análise da viabilidade econômica do uso do biogás de aterros sanitários para geração de energia elétrica: aplicação no Aterro Santa Tecla. Passo Fundo: Faculdade de Engenharia e Arquitetura da Universidade de Passo Fundo, 2006 (Dissertação de Mestrado em Engenharia).

VANZIN, E. et al. Análise da viabilidade econômica do uso do biogás de aterros sanitários para geração de energia elétrica: aplicação no aterro metropolitano Santa Tecla. Fortaleza, CE: XXVI ENEGEP, 2008.

WILLUMSEN, H. C. Energy recovery from landfill gas in Denmark and Worldwide. LG Consultant, 2001.

[1] Bacharel em Engenharia Ambiental. Universidade Federal de Rondônia – Campus Ji-Paraná

[2] Bacharel em Engenharia Elétrica. Universidade Federal da Bahia – Campus Salvador

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