Estimativa da produção de biogás no aterro sanitário de Betim

ESTIMATIVA DA PRODUÇÃO DE BIOGÁS NO ATERRO SANITÁRIO DE BETIM.

 

                                     MATA O.J(1)  ;  SILVA A.B(2)

                                                

RESUMO

       Este trabalho apresenta uma análise e coleta de dados sobre a reutilização do lixo orgânico urbano para geração de metano. O estudo foi conduzido no aterro municipal de Betim (Minas Gerais), situado na região sudeste do país. A cidade possui 500.000 habitantes e produz cerca de 300 toneladas diárias de resíduos urbanos reciclados. O aterro sanitário de Betim MG, iniciou suas atividades em 2002, e tem fechamento previsto para 2012. Os sistemas de disposição e tratamento do lixo compreendem o aterro sanitário, lagoas de tratamento de chorume e um pátio de compostagem. Ele recebe lixo domiciliar e comercial do município e também os restos de poda e capina. Sendo que os resíduos orgânicos da capina e poda de árvores na cidade, dos restaurantes e das empresas que fazem coleta seletiva são transformados em material orgânico no pátio de compostagem.  O gás é gerado no aterro quando o material orgânico for decomposto naturalmente por bactérias. Sua composição contém cerca de 60% de metano, e o restante da porcentagem em dióxido de carbono, hidrogênio, oxigênio, sulfeto de hidrogênio, amônia, monóxido de carbono, água e outros em pequena percentagem. Para atender o objetivo foram realizadas varias medições nos drenos de captação de metano e , em análise de dados foram comparados com  as diferentes estimativas de medições do sistema de captação do biogás de aterros sanitários pelas diferentes metodologias . Banco Mundial (BM) ( Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)      e USEPA, visando buscar parâmetros que possibilita a comparação dos dados obtidos, em razão de validar os modelos teóricos

Palavra-chave: Aterro Sanitário; Gás de Aterro Sanitário; Geração de biogás.

1  Mestrando em Sistema de Produção na Agropecuária – Universidade José do Rosário Vellano – UNIFENAS. Email: [email protected]

2 Professor Titular, Universidade José do Rosário Vellano – UNIFENAS. Email. [email protected]

     

 

ABSTRACT 

      This article presents a data collection and analysis, about the reuse of urban organic waste from power generation. This paper presents an analysis and data collection on the reuse of urban organic waste to generate methane. The study was conducted at the municipal landfill Betim (Minas Gerais), located in the southeast.                                                                                    City has 500.00 inhabitants and produces about 300 tons per day of municipal waste. The scenario used was a local landfill for power methane gas. The landfill operation started on 2002, and is scheduled for closure on 2012. The disposal systems and waste disposal include landfill, leachate treatment ponds and the composting area. It receives household waste and commercial city and also the remains of pruning and weeding. Since the organic waste from weeding and pruning trees in the city, restaurants and companies that are selective collection are transformed into organic material in the composting area. The gas is generated in landfills where organic material is broken down naturally by bacteria. Its composition contains 60% methane, methane and the remaining percentage of carbon dioxide, hydrogen, oxygen, hydrogen sulfide, ammonia, carbon monoxide, water and other small percentage. To meet the objective measurements were performed several drains methane capturing and analyzing data were compared with estimates of the different measurements of the system to capture the landfill gas by different methods. World Bank (WB) (Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) and USEPA, in order to find parameters that allow a comparison of data obtained, owing to validate theoretical.

 Keywords: Landfills; Landfill Gas; Biogas Generation.

 

 

 

 

 

 

 

 

 INTRODUÇÃO

        A geração de lixo, atualmente, é um dos grandes problemas sócio-ambientais da humanidade.

        O lixo cria problemas na logística de colheita, transporte e armazenamento, bem como gera impactos no meio ambiente.

        Nos últimos anos, a sociedade organizada vem cobrando dos pesquisadores, empresas, governos atitudes ambientalmente corretas para a coleta, transporte e armazenamento dos lixos produzidos nas cidades, exigindo a criação de aterros sanitários controlados.

       Nos aterros sanitários é possível o armazenamento correto do lixo, bem como selecionar materiais recicláveis (plásticos, metais, vidros e etc.), produzir compostos orgânicos (humos, compostagem e adubos líquidos), coleta de biogás visando a produção de energia renovável.

       O biogás é o produto da decomposição de matéria orgânica por bactérias anaeróbias, é composto por 60% de metano e 35% de dióxido carbono, e 5% de outros gases como hidrogênio, nitrogênio, gás sulfídrico, monóxido de carbono, amônia, 0xigênio e aminas voláteis (PECORA, 2006).

        O aterro sanitário de Betim-MG trata adequadamente de cerca de 300 toneladas de lixo já reciclado.

         A produção de biogás em aterros sanitários pode gerar grande quantidade de metano, sendo esta uma fonte alternativa de energia limpa e renovável.

         Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo verificar a quantidade de biogás gerado por aterro sanitário, bem como a projeção dessa produção nos tempos e estimar a possível produção de energia elétrica.  

         No Brasil, em 1994, a geração de resíduos sólidos municipais estava estimada em 59 mil toneladas por dia, com composição variável, de acordo com a região. Atualmente a geração de resíduo por habitante de uma cidade brasileira varia entre 0,4 e 0,7kg/hab.dia. A disposição e tratamento no país se distribuem da seguinte forma: 76,1% depositados em lixões a céu aberto, 21,8% em aterros controlados e sanitários e 2,1% em outras destinações (IBGE, 1992).

        Como não existe uma legislação no Brasil que regulariza com segurança a produção de metano pela decomposição de matéria orgânica em aterros sanitários, torna-se inviável detectar os tipos e taxas de produção de metano, podemos citar ainda a causa da grande extensão territorial e das diferentes classes sociais e econômicas, pelas quais dificultam a obtenção de dados estatísticos. Assim muitos aterros brasileiros possuem sistema de coletas e queima de biogás de forma inadequada (não controlada) e ineficaz.

 

         Com o aumento constante dos preços da energia (eletricidade, petróleo, propano), para o aterro de Betim seria economicamente viável usar uma tecnologia, para um sistema em que pudesse obter o biogás, para reduzir os custos de energia que são utilizadas nas cidades, fazendas e indústrias. Uma vez o biogás recuperado da digestão orgânica é considerado neutro e, fonte de energia renovável que traz muitos benefícios sociais e ambientais. Os resíduos sólidos num aterro sanitário estão caracterizados por três fases: sólida, líquida e gasosa. A fase sólida predomina no primeiro momento; e ao longo do tempo, com o processo de biodegradação, destacam-se as outras fases líquida (chorume) e gasosa Metano, dióxido de carbono e outros gases.

        Com o inesperado fechamento do aterro de Betim, deixa de lado novas tecnologias para produzir biogás suficiente para gerar diariamente cerca de 46KWh/dia.

 

 Biogás

        Apresenta poder calorífico inferior (PCI) em torno de 5.500 kcal/m, quando a proporção de metano é de cerca de 60% (CASSINI, 2003).

Tabela 1.  Composição média das misturas gasosas

Metano

(CH4)

50%     a  75%

Dióxido de Carbono

(CO2)

25%  a   40%

Hidrogênio

(H2)

0,5%   a   2,5%

Oxigênio

(O2)

0,1%   a    1%

Sulfeto  de  Hidrogênio    

(H2S)

0,1%   a  0,5%

Amônia

(NH3)

0,1%   a  0,5%

Monóxido de Carbono

(CO)

0%    a  0,1%

Água

(H2O)

variável

 Fonte: Pires, citado por Cassini (2003 et al. 2003)

        A composição dos gases gerados nos aterros é função das características dos resíduos conforme suas fases de decomposição. Enquanto alguns constituintes se fazem presentes em grandes quantidades, outros apenas se constituem em elementos traços. De maneira geral, os constituintes principais são aqueles que juntos representam quase a totalidade (99%) dos gases encontrados nos aterros, como o CH4 e CO2. O biogás, no entanto, é composto de 50 a 60% de metano, 25 a 40% de CO2, e em pequena quantidade, de outros elementos como N2, H2, H2S e NH3 (CASSINI et al. 2003).

      

 

 

METODOLOGIA

As coletas de dados foram realizadas no aterro de Betim, que se encontra a 13 Km de Betim , região metropolitana de Belo Horizonte, com uma população de 500.000 habitantes, situado na  latitude  7º 786´ 316”  N, no meridiano, longitude  l 5º 799´ 524” W, ocupando 50% dos 34 hectares,  recebendo diariamente 300 toneladas de resíduos reciclados. Durante as visitas, primeiramente foi a identificação dos drenos que estão em funcionamento, e em seguida foram coletadas três medidas que foram realizadas nos dias (15/06/2010; 16/12/2010 e 12/07/2011), pelas quais proporcionou-me calcular as  vazões totais nos drenos, e o possível calculo da vazão específica de cada dreno, dividindo pelo total de drenos existentes na célula. Sendo assim repetir os mesmos cálculos para outros drenos, separando-os em drenos internos e os de cobertura do aterro, através do aparelho AGV (HI – VOL), que é um amostrador de grandes volumes, construído conforme ABNT`s (9547, 13412) e NBR`s (12.979 e 12.002), acoplado sobre os diferentes drenos. A vazão de biogás é calculada pela média das três medias por duas vezes, e a metodologia utilizada é o da USEPA, e os padrões segue o CONAMA (Conselho Nacional do Meio Ambiente), de 03 de julho de 1990. Os métodos aplicados para o cálculo da vazão foi o recomendado pelas metodologias do INTERGOVERNMENTAL PANEL CLIMATE CHANGE ( IPCC); UNITED STATES ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY (USEPA); BANO MUNDIAL (BM). Os métodos utilizados no trabalho tiveram por finalidade comparar os cálculos obtidos das quatro equações, envolvendo a estimativa da produção de metano no aterro de Betim por determinada quantidade de resíduo orgânico depositado e os diferentes parâmetros de K e Lo pelas seguintes equações; Prod.CH4 (Gg/ano)=(PopurbxDSD x RSDf x FCM X COD X CODf  X F x 16/12 –R) x (1-OX) ;   LFG  = F. K. Lo. R. e-k(t-c)  ;   LFG = F. R. Lo. (e-kc – e-kt);         LFG = F. k. R. Lo. e-kt

 

 RESULTADOS E DISCUSSÃO

      Em resposta às diferentes metodologias aplicadas para produção de metano, o  trabalho demonstrou diferentes resultados para a produção de metano no aterro, utilizando os diferentes parâmetros para K e Lo ao usar a primeira equação na aplicação das  metodologias recomendadas pelo BM, USEPA e IPCC.

       Para estimar a produção do biogás nos dias atais, foi realizado o cálculo estimado do que poderá ser produzido no local, utilizando a segunda equação, conforme metodologia recomedada pelo Intergovernmental Panel on Climate Change – IPCC

 

 

 

Cálculo anual da produção de metano

 LFG = F. K. Lo. R. e-k(t-c)       ;   LFG = F. R. Lo. (e-kc– e-kt);     LFG = F. k. R. Lo. e-kt

Onde: USEPA  c = 0 para aterro ativo

LFG = quantidade total de gás gerado durante um ano (m3/ano)

L0 = potencial total de geração de metano do resíduo (m3/ton. de lixo)

R = variação média anual aceita durante a vida útil (t/ano)

k = velocidade de degradação do lixo (1/ano)

t = tempo de desde a abertura do aterro (ano atual)                     

c = ano de disposição do resíduo no aterro (início de operação).

Tabela 2.  Valores sugeridos para K e Lo

         TABELA

VALORES DE LO E K RECOMENDADOS

PARÂMETROS

BM

USEPA

IPCC

K (ANO – 1)

0,06

0,04

0,05

Lo (m3 CH4/t RSU)      

170

100

89,5

*Valor calculado

 

     Tabela 3. Previsão da quantidade de resíduos a ser depositados e Vazão de Metano no CTR Betim - Metodologias BM, USEPA, IPCC e REAL.

 

 

 

      A metodologia apresentada pelo IPCC nos primeiros anos (Tabela 3) fornece quantidade de metano inferiores às obtidas da aplicação da metodologia Banco Mundial e USEPA. Considerando o fechamento do aterro previsto para o final do ano de 2012, podemos observar na Tabela 3, que os valores determinados com a metodologia IPCC, já se encontram numa posição razoável em relação à metodologia da USEPA, enquanto que a metodologia apresentada pelo Banco Mundial é quase o triplo do valor apresentado pelo IPCC.

       Os resultados da avaliação dos métodos para o cálculo de geração de metano mostram que a metodologia da USEPA, graça aos valores de K e Lo, fornece os maiores resultados e a metodologia do Banco Mundial e IPCC os menores. Já a metodologia do IPCC fornece resultados inferior ás demais metodologias.

        Em resposta das diferentes metodologias utilizadas, o valor real apresentado pelo laboratório responsável pelo aterro, apresenta valores intermediários aos dados do cálculo do banco Mundial em virtude de receber resíduos no seu total reciclado e em razão do resíduo disposto anualmente pela taxa de crescimento populacional. Para demonstrar o gráfico de cada equação foram estimados diferentes valores de k e Lo, segundo as normas recomendadas pelo BM,USEPA e IPCC, e os cálculos obtidos e analisados estão fixados na Tabela 3.            

 

  Gráfico 1. Metodologias BM, USEPA e IPCC.

 

Gráfico 1. Geração de Metano – metodologias BM, USEPA e IPCC.

             Analisando as metodologias aplicadas no (Gráfico. 1), a metodologia apresentada pela USEPA, para o período monitorado, 2002 a 2005, fornece quantidade de metano superior às obtidas pela aplicação das metodologias do BM e IPCC, e no final de 2012 a geração de metano fornecida pelo ,USEPA é  muito significativa em relação as demais metodologias aplicadas . Supondo que o aterro continua a receber resíduo por um período maior de tempo, podemos observar um valor intermediário entre as metodologias BM e IPCC. 

 

Gráfico 2 .Geração de Metano – metodologias BM, USEPA, IPCC e REAL

         Um fator importante nos aterros é a taxa de recuperação do biogás pelo sistema de drenagem de gases. Este valor é da ordem de 75%, podendo chegar a 90% ou menos de 50% em aterros mal planejados e operados (USEPA, 2008).                  

          A tecnologia inovada, empregada no aterro de Betim, fez com que a taxa de produção de metano ultrapassou  o valor obtido pelas metodologias do BM e IPCC, perdendo apenas para a metodologia recomendada pela USEPA, como mostra no gráfico (Gráfico 2), graças ao sistema avançado e desenvolvidos no aterro para impedir tanto a perda do biogás pelas paredes externas do aterro, quanto à entrada de oxigênio atmosférico, o qual inibe as reações anaeróbias no interior da massa de lixo. Para isso, além de sistemas de sucção ativos (com bombas de sucção), são empregados sistemas de impermeabilização superior que impedem a entrada de ar na massa de resíduos, que normalmente são feitos pela compactação da argila local ou, em sistemas mais eficientes, com mantas de liga plástica. Teor de carbono orgânico degradável para cada componente do lixo, estudos estes desenvolvidos pelo (IPCC, 1996).

       Pela equação expressa no Quadro 1, podemos calcular a vazão de metano atual, e a energia disponível diária que poderia ser convertida  em relação a taxa do crescimento populacional e a quantidade de resíduo disposto no aterro.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Quadro 1 - Cálculo da produção de CH4 e energia para BETIM- MG

Gg = Gigagrama (1 Gigagrama ou Gg = 109 gramas); Popurb = População Urbana =500.000 habitantes; RSD = Taxa de

 Geração de Resíduos Sólidos Domésticos por Habitante por Ano = O,6 kg/hab.dia = 600 g/ hab.dia = 600 x 10-9 Gg / hab.dia =

 6 x 10-7 Gg/hab.dia; RSDr = Fração de Resíduos Sólidos Domésticos que é Depositada em Locais de Disposição = 0,6; FCM =

 Fator de Correção de Metano [Fração Adimensional] = 1; COD = Carbono Orgânico Degradável no Resíduo Sólido Doméstico.

 [Fração Adimensional] = COD (fração)= 0,4A+ 0,17B + 0,15C+ 0,30D = 0,16 ;CODf = Fração de COD que Realmente Degrada

 [Fração Adimensional] = 0,77 ;F = Fração de carbono no Gás de Aterro = 0,4; 16/12 = Taxa de Conversão de Carbono em CH4

 [Fração Adimensional]; R = Quantidade de Metano Recuperado [Gg CH4/ano] = desprezível (não emitido, queimado no flare);

OX = Fator de Oxidação [Fração Adimensional] = desprezível (não há formação de C02 antes da queima de metano no aterro).

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------     

PD = 500.000 (hab. X 6,O x 10-7 (Gg/dia.hab) x 365 (dias/ano) x 0,6] x 1,0 x ,16 x 0,77 x 0,4 x 16/12 = 0,62348 Gg / ano =

 623,8 ton CH4/ano / Densidade do metano = 0,716 kglNm3

Volume de CH4 = 623479 / 0,716 = 870781 Nm3 / ano (dividindo por 365 dias e por 24 horas) = 99,4Nm3fhr

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

ED = Energia Disponível= ED (MWh/dia)= PD (ton CH4/ano) x PC (GJ/ton H4) x Ec x u = MWhIdia; u Eftciência do

 gerador = 0,28 (adimensional) ; Ec fator de conversão de energia de 1 GJ = 0,278 MWh

Fonte IPCC

        Os dados apresentados no quadro 1, sugere que um aterro sanitário instalado adequadamente dentro de suas normas especificas, pode produzir  mais de  623,8 toneladas  de gás metano por ano, convertendo com uma eficiência de metano em energia na ordem de 0,28, é possível gerar em torno de 46,00MWh/dia de energia suficiente para atender alguma demanda do escritório administrativo.

5. CONCLUSÃO

        Este relatório identificou e avaliou as possibilidades práticas e inovadoras
para utilização do gás de aterro.

        O biogás é uma fonte relativamente limpa, ecológica, renovável. Como
tal, tem o potencial para reduzir as emissões poluentes, bem como a dependência do mundo com combustíveis fósseis. Porém, o limitado volume de transformação de gás em energia, os custos e / ou distribuição, e os mercados desfavoráveis, aliados a regulamentação vigente têm inibido desenvolvimento de projetos que o utilizem. As questões técnicas da composição do gás e a necessidade de remoção de substâncias corrosivas e as partículas não podem ser subestimadas. A vigilância e limpeza podem custar muito caro, aliada a corrosão dos tubos das caldeiras e os motores, podem se tornar ainda mais caros com o tempo de ociosidade, causando perda de receita, devido à manutenção e substituição de equipamentos, e por fim, o sistema de limpeza de retrofit.

       A partir dos dados coletados do aterro e por meio de cálculos descritos neste relatório, observa-se que o aterro de Betim tem potencial de geração de biogás suficiente para alimentar os sistemas de geração de energia elétrica e de iluminação a gás, em comparação com a geração de biogás captada nos aterros Bandeirantes e São João - SP e outros, dos quais apresentam usinas elétricas em pleno funcionamento.

       O aterro de sanitário de Betim possui biogás suficiente para produção de energia elétrica, até , o ano de 2040, em circunstância de seu fechamento em 2012, encerrando a deposição de lixo no aterro, terá capacidade de produção de biogás até por mais 30 anos, perdendo diariamente, produção suficiente de biogás  para gerar 46,00MW/dia.                   

       A energia produzida a partir de gás de aterro nunca poderá suprir o mundo atual pela necessidade de energia, nem pode resolver completamente os problemas de poluição associados ao uso de energia ou de produção.

        O que o uso do gás de aterro traz como benefício é fazer parte de um plano estratégico global de conservação de recursos, prevenção da poluição e produção de energia alternativa para o presente e no futuro.

         Este estudo, ainda que preliminarmente busque subsídios para priorizar novos projetos sociais para dar suporte ao próprio sistema de tratamento local, e que estabeleçam novas equações que possam servir de parâmetro no território nacional.

 

 

 

 

 

REFERÊNCIAS

 

BANCO MUNDIAL, Manual para a Preparação de Gás de Aterro Sanitário para Projetos de Energia na América Latina e Caribe, 2003, 125 p.disponível em: http://www.bancomundial.org.ar/lfg/gas_access_po.htm > Acesso em 10 de março de 2011

 

BARBOSA, M. C. Resíduos sólidos urbanos, comportamento geotécnico. Notas de aula, PEC, COPPE, UFRJ, 2002.

 

CASSINI, S. T. (coord.). Digestão de resíduos sólidos orgânicos e aproveitamento do biogás. Rio de janeiro: ABES, Rima - Projeto PROSAB, 2003. 210 p.

 

Case Study: CDM and Energy Efficiency

Hakim Zahar, P.Eng. Vice-President

ECONOLER INTERNATIONAL, February-March, 2011

 

CENBIO. Centro Nacional de Referência em Biomassa. Projeto Instalação e Testes de uma Unidade de Demonstração de Geração de Energia Elétrica a partir de Biogás de Tratamento de Esgoto – ENERG-BIOG. Relatório Técnico Final. São Paulo, 2005. Disponível em: < http://cenbio.iee.usp.br/publicacoes.htm >.Acesso em 08 jul de 2011

 

Debra R. Reinhart

University of Central Florida

Department of Civil and Environmental Engineering

 

ENSINAS, A. V., Estudo da Geração de Biogás no Aterro Sanitário Delta em Campinas – SP. Universidade Estadual de Campinas, Campinas, SP,Brasil. 2003,

 

ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY. Landfill Methane Outreach Program, Disponível em: http://www.epa.gov/lmop,> Acesso em 20 de  janeiro de 2012.

 

HAM, R. K.; MORTON A. B. Measurement and Prediction of Landfill Gas Quality and Quantity in Sanitary Landfill: process, technology and environmental impact. New York: Academic Press, 1999.

 

INTERNATIONAL PANEL ON CLIMATE CHANGE, (IPCC, 1996 b).Guidelines for National Greenhouse Inventories: Reference Manual (Vol.3). Disponível em: http://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/gl/invs6 > Acesso 20 de janeiro de 2012.

 

MCBEAN, E.A.; ROVERS, F.A.;AND FARQUHAR, G.J. Solid Waste Landfill Engineering and Design. New Jersey: Prentice Hall, 1995

 

REYNOLDS, W. D., ELRICK, D. E., CLOTHIER, B. E., 1985, The Constant Head Well Permeameter: Effect of Unsaturated Flow. Soil Science, Baltimore, v.139, n.2, p.172-180.

 

Autor: Omar João Da Mata

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