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Pré-dimensionamento de um sistema para produção de Biogás a partir  dos Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) no município de San...
1.     Introdução      Um dos grandes problemas da gestão de cidades está relacionado ao manejo e destinaçãoadequada dos r...
3.     Metodologia3.1.   Área de estudo       O local de estudo para dimensionamento do sistema de biodigestão é o municíp...
A vida útil projetada para a Fase II é: Na Etapa 1: 4 anos e 11 meses, com capacidadevolumétrica de cerca de 762.380,00 m³...
O processo de conversão energética da biomassa pode ser viabilizado em uma usina debiodigestão anaeróbica, através de um r...
Tabela 2. Quantidade total de resíduo para respectivos TRH e produção de CH4               Tempo de                       ...
4.     Considerações Finais     Para um sistema de biodigestão que atenda a geração diária de matéria orgânica com umtempo...
[7] KUNZ, A.; OLIVEIRA, P. A. V. Aproveitamento de dejetos de animais para geração de     biogás. Revista Agrícola, Ano XV...
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Pré dimensionamento de um sistema para produção de biogás a partir dos resíduos sólidos urbanos (rsu) no município de Santo André

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Um dos grandes problemas da gestão de cidades está relacionado ao manejo e destinação
adequada dos resíduos. Apesar de alguns aterros sanitários disporem de tecnologia e recursos
suficientes para dar tratamento adequado aos resíduos, a grande maioria ainda enfrenta
problemas relacionados à gestão dos resíduos, a limitação constante da disponibilidade de terra
para disposição dos resíduos, a contaminação dos solos, dos recursos hídricos, da atmosfera,
além da proliferação de patogênicos, entre outros vetores. A biodigestão anaeróbia do RSU é uma
alternativa favorável a esta demanda ao converter a fração orgânica dos RSU em energia e
fertilizante. A viabilidade técnica e econômica de uma instalação industrial de digestão anaeróbia
dos RSU depende do volume de metano produzido e das características do efluente gerado nessa
instalação. Este trabalho tem por objetivo dimensionar o volume de biogás produzido a partir da
geração diária de resíduos orgânicos no município de São André, Estado de São Paulo.

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Pré dimensionamento de um sistema para produção de biogás a partir dos resíduos sólidos urbanos (rsu) no município de Santo André

  1. 1. Pré-dimensionamento de um sistema para produção de Biogás a partir dos Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) no município de Santo André Heleno Quevedo de Lima Universidade Federal do ABC – Programa de Pós-Graduação em Energia Av. dos Estados, 5001 – Bloco B, 8º andar. Bairro Bangu. Santo André – SP. CEP: 09210-580 Telefone: (11) 4996-0085 E-mail: heleno.lima@ufabc.edu.br Priscila Alves Carneiro Universidade Federal do ABC – Programa de Pós-Graduação em Energia Av. dos Estados, 5001 – Bloco B, 8º andar. Bairro Bangu. Santo André – SP. CEP: 09210-580 Telefone: (11) 4996-0085 E-mail: priscila.carneiro@ufabc.edu.br Eduard Joseph Krummenauer Universidade Estadual do Rio Grande do Sul - Acadêmico do Curso de Engenharia em Energia Rua Inconfidentes, 395. Bairro Primavera. Novo Hamburgo – RS. CEP: 93340-140 E-mail: eduard@ped-energia.com Giovani Garcia da Silva Universidade Federal do Rio Grande do Sul – Programa de Pós-Graduação em Engenharia deMinas, Metalúrgica e de Materiais (PPGEM). Av. Bento Gonçalves, 9500. Bairro Agronomia. Porto Alegre – RS. CEP: 91501-970. Telefone: (51) 3308-9437 E-mail: giovani@ped-energia.com José de Souza Universidade Federal do Rio Grande do Sul – Programa de Pós-Graduação em Engenharia deMinas, Metalúrgica e de Materiais (PPGEM). Av. Bento Gonçalves, 9500. Bairro Agronomia. Porto Alegre – RS. CEP: 91501-970 Telefone: (51) 3308-9437 E-mail: jose@ped-energia.comResumoUm dos grandes problemas da gestão de cidades está relacionado ao manejo e destinaçãoadequada dos resíduos. Apesar de alguns aterros sanitários disporem de tecnologia e recursossuficientes para dar tratamento adequado aos resíduos, a grande maioria ainda enfrentaproblemas relacionados à gestão dos resíduos, a limitação constante da disponibilidade de terrapara disposição dos resíduos, a contaminação dos solos, dos recursos hídricos, da atmosfera,além da proliferação de patogênicos, entre outros vetores. A biodigestão anaeróbia do RSU é umaalternativa favorável a esta demanda ao converter a fração orgânica dos RSU em energia efertilizante. A viabilidade técnica e econômica de uma instalação industrial de digestão anaeróbiados RSU depende do volume de metano produzido e das características do efluente gerado nessainstalação. Este trabalho tem por objetivo dimensionar o volume de biogás produzido a partir dageração diária de resíduos orgânicos no município de São André, Estado de São Paulo.AbstractOne of the problems of the management of cities is related to the management and properdisposal of waste. Despite some landfills have sufficient resources and technology to giveappropriate waste treatment, the vast majority still faces problems related to waste management,the limitation constant availability of land for the disposal of waste, soil contamination, water, air,aside from the proliferation of pathogenic microbes, among other vectors. The anaerobic digestionRSU is an alternative in favour of this demand to convert the organic fraction of the RSU on energyand fertilizer. Technical and economic viability of an industrial plant of anaerobic digestion of theRSU depends on the amount of methane produced and characteristics of the effluent generatedsuch an installation. This work aims to scale the amount of biogas from daily generation of organicwaste in the municipality of Santo André, São Paulo State.
  2. 2. 1. Introdução Um dos grandes problemas da gestão de cidades está relacionado ao manejo e destinaçãoadequada dos resíduos. Em 2008, cerca de 200 mil toneladas de resíduos sólidos urbanos (RSU)foram gerados no município de Santo André – SP, deste montante 56,25% correspondia à parcelade resíduos orgânicos (SEMASA, 2008). A fração orgânica dos RSU é naturalmente degradada ao longo do tempo no aterrosanitário. O processo de decomposição da matéria orgânica produz vários gases, incluindo gasesdo efeito de estufa (FANTOZZIA & BURATTI, 2009). No entanto, políticas para remediar osproblemas causados pelos gases do efeito estufa estão contribuindo para que os aterros invistamem sistemas de captação e queima destes gases. Apesar de alguns aterros sanitários disporem de tecnologia e recursos suficientes para dartratamento adequado aos resíduos, a grande maioria ainda enfrenta problemas relacionados àgestão dos resíduos, a limitação constante da disponibilidade de terra para disposição dosmesmos, a contaminação dos solos, dos recursos hídricos, da atmosfera, além da proliferação depatogênicos, entre outros vetores (ZHU et. al., 2009). Para aumentar o tempo de vida útil dos aterros sanitários é necessário reduzir o volume deRSU, o qual é um desafio à gestão pública. A biodigestão anaeróbia do RSU é uma alternativafavorável a esta demanda ao converter a fração orgânica dos RSU em energia e fertilizante(CARNEIRO, 2009). A viabilidade técnica e econômica de uma instalação industrial de digestão anaeróbia dosRSU depende do volume de metano produzido e das características do efluente (nutrientes e saisminerais) gerado nessa instalação (FANTOZZIA & BURATTI, 2009). Esses parâmetros estão diretamente relacionados à composição bioquímica dos resíduosorgânicos e das variáveis de processo (sólidos totais, demanda químico e bioquímica de oxigênio,temperatura, tempo de retenção hidráulica, pH, etc.), entre tanto, tais dados não estão disponívelna literatura para composição de um substrato tão heterogênico quanto o resíduo sólido urbano.Desta forma um projeto sem experimentação em escala laboratorial e escala piloto implica em umrisco aos investimentos devido às incertezas na fase de projeto. O metano gerado nos biodigestores é um combustível gasoso que pode substituir oconsumo de combustíveis fósseis (gás natural, GNV, GLP), reduzindo a emissão de gases deefeito estufa. A principal vantagem em uma unidade industrial de biodigestão é a possibilidade deo processo produzir a energia necessária para sua operação além de fornecer energia à frota decaminhões usada na logística de coleta dos resíduos. Reduzir o custo do tratamento dos resíduos e a possibilidade de geração de receita torna-sepontos chaves para viabilizar projetos de geração de energia. Nesse contexto, os biodigestoresapresentam-se como opção interessante, no Brasil, devido aos aspectos de saneamento eenergia ao estimular a reciclagem de nutrientes (OLIVEIRA, 2004). Conforme os pontos apresentados, este estudo visa apresentar cenários relacionadas a pré-dimensionamentos de unidades industriais de biodigestão anaeróbia adequadas ao volume diáriode resíduo orgânico produzido no município de Santo André – SP.2. Objetivo Este trabalho apresenta um estudo de caso para pré-dimensionamento de um sistema emescala industrial de biodigestão anaeróbia dos resíduos orgânicos do Município de Santo André –SP. O sistema tem por finalidade saneamento e geração de energia, sendo realizada uma análisedo volume de biogás obtido de acordo com volume diário de resíduos orgânico e a simulação paradimensionamento de tanques baseadas em tempos de retenção hidráulica diferenciados, com ousem diluição dessa matéria orgânica.
  3. 3. 3. Metodologia3.1. Área de estudo O local de estudo para dimensionamento do sistema de biodigestão é o município de SantoAndré – SP, localizado na Região Metropolitana de São Paulo, mais especificamente no GrandeABC (Figura 1). O município ocupa uma área de 174,38 km² e cerca de 54% do seu territóriolocaliza-se em área de proteção de mananciais e o restante encontra-se densamente urbanizadoapresentando uma população de 667.891 habitantes (IBGE, 2007). Figura 1. Município de Santo André – SP Fonte: (SEMASA, 2008). Os resíduos sólidos urbanos coletados no município são transportador e depositados noAterro Público (Figura 2), administrado pela autarquia Serviço Municipal de SaneamentoAmbiental de Santo André (SEMASA). O Complexo, além do aterro sanitário, possui uma unidadede tratamento de resíduos líquidos percolados (chorume), uma unidade de tratamento de resíduosinfectantes e uma usina de triagem de recicláveis. Figura 2. Aterro sanitário de Santo André – SP Fonte: (SEMASA, 2008) O Aterro Sanitário Municipal de Santo André ocupa uma área de 218 m² e praticamente jáatingiu sua capacidade máxima, a qual era prevista para 2010. Atualmente, o aterro recebe cercade 650 toneladas de resíduos sólidos urbanos por dia (SEMASA, 2008). Foi realizado um estudo mostrando a indisponibilidade de áreas para a implantação de umnovo aterro sanitário dentro do município de Santo André, pelo fato de grande parcela do territórioandreense encontrar-se protegida pela Lei de Proteção aos Mananciais (Lei nº 1.172/76). Orestante do território, que compreende a Área Urbanizada, encontra-se com ocupação urbana eindustrial consolidada. Deste modo, a opção seria a ampliação do Aterro Santo André,considerando que são aterrados em média 17.000 t/mês (SEMASA, 2008).
  4. 4. A vida útil projetada para a Fase II é: Na Etapa 1: 4 anos e 11 meses, com capacidadevolumétrica de cerca de 762.380,00 m³ de resíduos, considerando os recalques e adensamentosque ocorrerão ao longo do tempo; Na Etapa 2: 8 anos e 5 meses, com capacidade volumétrica decerca de 1.133.670,00 m³ de resíduos, já considerando os recalques e adensamentos queocorrerão ao longo do tempo. Totalizam-se, portanto, uma vida útil de 13 anos e 4 meses para a disposição dos resíduossólidos no aterro de Santo André caso aprovado o projeto de ampliação.3.2. Análise gravimétrica dos RSU De acordo com dados de relatório (SEMASA, 2008), no município de Santo André, sãogerados cerca de 21,75 kg de resíduos por habitante, em um mês. Esses resíduos têm comodestino o complexo do aterro municipal, que está em operação desde a década de 80. Resíduo Sólido Urbano constitui-se de folhas secas, lixo orgânico doméstico (oriundos depodas de árvores e da coleta de lixo residencial), borra celulósica à base de papel e papelão(produzido pelo processo de limpeza de materiais recicláveis da Associação dos Recicladores) domunicípio, entre outros resíduos apresentados na Figura 3, conforme análise gravimétrica nomunicípio de Santo André entre os anos 2006 e 2008. Figura 3. Análise gravimétrica no município de Santo André (2006 e 2008). Fonte: (SEMASA, 2008) Conforme análise gravimétrica pode-se notar que houve aumento da fração orgânica dosresíduos de 2006 e 2008, sendo respectivamente 49,90 % e 56,25 %.3.3. Descrição do processo de biodigestão Entre os diversos processos de conversão energética há os que ocorrem por intervenção demicrorganismos que digerem a biomassa (resíduos orgânicos). A biodigestão anaeróbia é umprocesso biológico de conversão energética e caracteriza-se por ocorrer em ambientes semoxigênio, proporcionando condições ideais para desenvolvimento das bactérias metanogênica.Durante a atividade metabólica dessas bactérias há produção de um combustível gasoso (biogás)cujo principal componente é o gás metano. As equações 1 e 2 representam de forma simplificada a etapa da fotossíntese e o processoda metanogênese, respectivamente: 6CO2 + 6 H 2O Radiação → C6 H12O6 + 6O2   _ Solar (1) C6 H12O6 (aq ) Metanogênese → 3CH 4 ( g ) + 3CO2 ( g ) + Energia   (2)
  5. 5. O processo de conversão energética da biomassa pode ser viabilizado em uma usina debiodigestão anaeróbica, através de um reator biológico anaeróbio, o qual promove a rápidadegradação do material orgânico (lixo orgânico, efluentes de abatedouros e resíduos vegetais),liberando uma mistura de gases (H2O, CO2, NH3, H2S e CH4) (COMASTRI FILHO, 1981;BULLOCK, 2000). O funcionamento desse sistema consiste em pré-fermentar o material orgânico através doprocesso de hidrólise em meio anaeróbio (fase mesofílica com temperaturas entre 20ºC e 35ºC),ficando retido por um período superior a 20 dias. Após este período, a mesma quantidade dematerial orgânico passará para um segundo tanque (condições termofílica, faixa de temperaturade aproximadamente 50ºC) favorecendo a produção de biogás (ZHU et. al., 2009). Ao longo das duas etapas, o biogás produzido é coletado por tubulações apropriadas ebombeado para um sistema de filtragem (remoção dos gases não combustíveis) elevando assim opoder calorífico do combustível e maximizando a produção de energia elétrica através de gruposgeradores. Esta configuração apresenta vantagens ao digerir os resíduos orgânicos como a taxade degradação mais acelerada, maior rendimento na produção de biogás e eliminação dosagentes patogênicos (ZHU et. al., 2009). No final desse processo a matéria biodegrada (biofertilizante) e estabilizada (livre depatogênicos), com qualidade mínima exigida pelo órgão ambiental, possui padrões ideais parauso como fertilizante (CASSINI, 2003).4. Resultados e discussões Para que avance o uso de sistemas biodigestivos são necessárias pesquisas sobre novasmetodologias de caracterização dos resíduos orgânicos heterogênicos para produção de metanoe fertilizante. O levantamento dos dados do potencial energético para uma nova base deinformações de acordo com o perfil regional de geração de resíduo orgânico. Essas informaçõesconduzem à concepção de projetos de sistemas biodigestivos eficientes adequados àdisponibilidade regional e sazonal e customizados ao perfil médio de cada município.4.1 Dimensionamento O município de Santo André possui atualmente uma população estimada em 667891habitantes que produzem 220518 toneladas/ano de resíduos sólidos urbanos (SNIS, 2009). Estaprodução corresponde a 604,16 t/dia de resíduos com 56,25% correspondente à fração deresíduos orgânicos (densidade de aproximadamente 0,90 kg/litro), conforme apresentados naTabela 1 (SEMASA, 2008). Tabela 1. Geração diária de RSU Tonelada/dia m³/diaVolume de RSU 604,16 543,74Fração orgânica (FO) 339,84 305,86RSU – per capita (kg/hab.) 0,90 0,81FO – per capita (kg/hab.) 0,59 0,53Fonte: (SEMASA, 2008) Uma tonelada de resíduo orgânico gera aproximadamente um volume de 100 Nm³ de biogáscom 50% de metano (COMASTRI FILHO, 1981). Ao relacionar a geração diária de RSU comrendimento de biogás por volume de resíduos temos a produção total de metano para respectivostempo de retenção hidráulica (TRH), conforme dados apresentados na Tabela 2.
  6. 6. Tabela 2. Quantidade total de resíduo para respectivos TRH e produção de CH4 Tempo de Estimativa de Produção totalDiluição retenção Massa (t) Volume (m³) produção diária de CH4 (m³) hidráulica de CH4 (m³) TRH 120 40.780,73 36.702,65 18.351,33 152,93 TRH 90 30.585,54 27.526,99 13.763,50 152,93 Sem TRH 60 20.390,36 18.351,33 9.175,66 152,93 TRH 30 10.195,18 9.175,66 4.587,83 152,93 TRH 120 50.975,91 45.878,32 22.939,16 191,16 TRH 90 38.231,93 34.408,74 17.204,37 191,16 25% TRH 60 25.487,95 22.939,16 11.469,58 191,16 TRH 30 12.743,98 11.469,58 5.734,79 191,16 Fonte: Elaborado pelos autores O volume produzido de biogás depende do tempo de retenção hidráulico (TRH), da diluiçãodos dejetos, do tipo de biodigestor, da temperatura de operação do biodigestor, do tipo de materiala ser digerido, entre outros (FARRET, 1999). Outro fator que está diretamente ligado à produçãode biogás é a densidade da matéria orgânica. Quanto maior a densidade maior será aconcentração dos sólidos totais (ST) e sólidos voláteis (SV). Os sólidos voláteis (SV) são osresponsáveis diretos pela produção de biogás, justamente por serem a parcela orgânica doresíduo (KUNZ & OLIVEIRA, 2006). A maturação do biofertilizante está diretamente relacionada com o tempo de retençãohidráulico (TRH). Tendo por prioridade a produção de biofertilizante estabilizado pôde-se calcularo TRH para verificar se as condições de operação do biodigestor condiziam com esse objetivo. OTRH pôde ser obtido pela razão do volume do biodigestor pelo volume das cargas diárias deacordo com a Equação 3. V  TRH =   × 1000 C  (3) Onde: TRH – Tempo de retenção hidráulico do biodigestor (dias); V – Volume do biodigestor (m³); C – Volume da carga diária (m³). Com base nos volumes obtidos paras respectivos TRH foi determinada a quantidade detanques de biodigestão e quantidade de esferas de armazenamento de gás de acordo comdimensões definidas na Tabela 3. Tabela 3. Quantidade de tanques de biodigestão e esferas de armazenamento de gás Tempo de Armazenamento de gás (3.200 Tanque de biodigestão (8.000 m³)Diluição retenção m³) {Dimensões: h=6,4m e r=20m} hidráulica {Esfera de gás: r=2,9m} TRH 120 4,6 5,3 TRH 90 3,4 5,3 Sem TRH 60 2,3 5,3 TRH 30 1,1 5,3 TRH 120 5,7 6,6 TRH 90 4,3 6,6 25% TRH 60 2,9 6,6 TRH 30 1,4 6,6 Fonte: Elaborado pelos autores.
  7. 7. 4. Considerações Finais Para um sistema de biodigestão que atenda a geração diária de matéria orgânica com umtempo de retenção hidráulico de 120 dias (ideal para estabilizar a matéria orgânica) e diluição de25% são necessário aproximadamente 6 tanques de 8.000 m³ de capacidade. Este sistemapoderia gerar 191,16 m³/dia de metano. Vários estudos mostram que a digestão anaeróbia de resíduos orgânicos possui potencialpara gerenciar os problemas dos RSU de forma econômica e ambientalmente favorável. Os resultados apresentados podem ser utilizados na formulação de políticas públicas a fimde implementar a utilização de biodigestores, bem como desenvolver subsídios para programasde financiamento para o aproveitamento dos resíduos orgânicos com fins de produção de energiae fertilizante, tendo em vista a economia de custos gerada no processo, bem como as inequívocasvantagens ambientais. No desenvolvimento desse trabalho constatou-se a necessidade de desenvolvimento deprojetos pilotos de tratamento da fração orgânica com utilização de biodigestores, os quaispermitem o desenvolvimento de técnicas adaptadas a realidade da região do ABC. A implantação da tecnologia de biodigestão no município de Santo André apresentaria umelevado custo, mas que poderia obter retorno em curto espaço de tempo. O sistema torna-seauto-suficiente em energia e ambientalmente adequado para reduzir as emissões dos gasesestufas. Este potencial é favorável para captar recursos relativos à redução das emissões dosgases de efeito estufa. O presente trabalho demonstrou a problemática dos resíduos sólidos urbanos e aimportância da pesquisa em novas técnicas de tratamento da fração orgânica para gestão deresíduos nas cidades. Como sugestão para futuros trabalhos há necessidade de pesquisas emprojetos pilotos com o propósito de reduzir custos e tempo de desenvolvimento dos projetos emescala industrial.Palavras-chaveBiodigestor, metano, aterro sanitário, resíduos sólidos urbanosReferências[1] BULLOCK, C. The Archaea – A Biochemical Perspective. Biochem. & Molec. Biol. Educ., 28, 186-191, 2000.[2] CARNEIRO, P. A. Análise das tecnologias para gestão e reaproveitamento energético dos resíduos urbanos para reciclagem de plásticos. Orientador: Prof. Dr. Carlos Roberto Rocha. Itajubá: [s. n.], 2009. 112 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Energia)- Universidade Federal de Itajubá.)[3] CASSINI, S. T. Digestão de Resíduos Sólidos Orgânicos e Aproveitamento do Biogás. Programa de Pesquisas em Saneamento Básico – PROSAB do Departamento de Saneamento Ambiental UFES. 3ªed. Vitória-ES, 2003.[4] COMASTRI FILHO, J. A. Biogás, independência energética do Pantanal Mato-grossense. Circular Técnica nº 9, EMBRAPA: Corumbá, 1981.[5] FANTOZZIA, F.; BURATTI, C. Biogas production from different substrates in an experimental Continuously Stirred Tank Reactor anaerobic digester. Bioresource Technology. Volume 100, Issue 23, December 2009, Pages 5783-5789)[6] FARRET, F. A. Aproveitamento de pequenas fontes de energia elétrica. Santa Maria: UFSM, 1999.
  8. 8. [7] KUNZ, A.; OLIVEIRA, P. A. V. Aproveitamento de dejetos de animais para geração de biogás. Revista Agrícola, Ano XV n.º 3, 2006.[8] OLIVEIRA, P. A. V. de; OTSUBO, C. S. Sistema simples para produção de biogás com o uso de resíduos de suínos e aves. Gerenciamento Ambiental, v.4, n.19, p.12-15, 2002.[9] SEMASA – Serviço Municipal de Saneamento Ambiental de Santo André. Relatório Caracterização Gravimétrica dos Resíduos Sólidos Urbanos Domiciliares do Município de Santo André. Santo André 2008.[10] ZHU, B.; GIKAS, P.; ZHANG, R.; LORD, J.; JENKINS, B.; LI, X. Characteristics and biogas production potential of municipal solid wastes pretreated with a rotary drum reactor. Bioresource Technology, Volume 100, Issue 3, February 2009, Pages 1122-1129

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