Gestão Sustentável de Resíduos Sólidos Urbanos : A Biodigestão de Resíduos Sólidos na Alemanha

The Biodigestion of Solid Waste in Germany

RESUMO

No ano de 2013 foi concluído o projeto de pesquisa financiado pelo Ministério Federal Alemão para o meio ambiente “Aumentar a eficiência energética durante o aproveitamento biogênico dos resíduos”. O status quo e a evolução esperada em termos de tecnologias para a fermentação dos resíduos biodegradáveis pode ser descrito como segue: Na Alemanha 63 plantas estão em operação, 46 com tecnologias secas e 17 com úmidas. Os processos secos estão divididos em 23 contínuos e 23 descontínuos (em batelada). A posição dominante da tecnologia seca reflete-se necessariamente em uma e duas fases porque processos com duas fases são limitados para processo úmidos. Apenas nove plantas estão operando com duas fases. As tecnologias de fermentação empregadas passaram por um desenvolvimento significativo. Nos anos 1990, dominavam as tecnologias por via úmida. Nos anos 2000, quase que exclusivamente foram implementados processos a seco. Esta evolução reflete-se também nas plantas em construção. A eletricidade líquida é gerada em maior intensidade nos processos secos contínuos. Apesar dos processos secos descontínuos terem menor consumo, ainda não conseguem alcançar os mesmos rendimentos que o contínuo. Os processos termofílicos garantem uma geração de metano mais elevada. O potencial total para produção de energia renovável a partir da fermentação está na ordem de 1.772 GWh de eletricidade e calor 1.556 GWh. O maior potencial de geração de energia está na ampliação da capacidade de fermentação para os resíduos orgânicos já coletados seletivamente, bem como para àqueles que serão coletados durante a ampliação da coleta seletiva de orgânicos. Abordagens de otimização em engenharia e na operação da planta resultam no incremento do nível de eficiência de 1.4 e de 1.2 no rendimento de calor.

Palavras-chave: Digestão anaeróbia. Eficiência energética. Otimização de processo. Emprego de biogás. Energia renovável.

ABSTRACT

In the year 2013, the German Federal Ministry for the environment funded the research project “Increasing energy efficiency in the utilization of biogenic residues” was completed. The status quo and the expected development in terms of technologies for the fermentation of biowaste can be outlined as follows: In Germany 63 plants are in operation, 46 with dry and 17 with wet technologies. The 46 dry plants are divided into 23 continuously and 23 discontinuously (batchwise) procedures. The dominance of the dry processes is reflected necessarily in one and two-step procedures because two-step processes are limited to wet processes. Only nine plants are operating with two stages technologies. In the used fermentation technologies, there has been a significant development. In the 90 years wet methods dominated. In the 2000s, almost exclusively dry processes have been installed. This development is also reflected in the plants under construction. The highest net electricity yield is generated by dry continuous processes. Despite the lower own energy requirement dry discontinuous method does not achieve these benefits. The thermophilic process results in all methods to significantly higher methane yields. The total potential addition of recoverable amounts of energy (net yield) by the fermentation of biowaste is forecast to 1,772 GWh of electricity and 1,556 GWh of heat yield. The greatest potential of energy generation lies in the increase of fermentation capacity for already collected biowaste as well as the fermentation of biowaste also detectable by the widespread implementation of biowaste containers. From the determined optimization approaches to engineering and plant operation results in a rate of increase in the current efficiency of about 1.4, and in the heat yield of 1.2.

Keywords: Anaerobic digestion. Energy effiency. Process optimizing. Biogas use. Renevable energy.

1 INTRODUÇÃO

A biodigestão voltada para os resíduos orgânicos é praticada, há muito tempo, em tratamento de efluentes (lodos) e na agricultura (dejetos de animais). As tecnologias de tratamento anaeróbio para aplicação em resíduos sólidos, como resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo, apenas foram introduzidas no início da década de 1990. Na fase intensiva da implementação do programa “Coleta seletiva e aproveitamento de resíduos orgânicos”, respectivamente durante os anos de 1988-1995, a tecnologia de tratamento anaeróbio ainda não possuía o estado de desenvolvimento necessário. A tecnologia ganhou mais importância apenas nos últimos anos. No início, a relutância à introdução da tecnologia se devia a problemas técnicos e econômicos. Foram observadas falhas técnicas devido a distúrbios funcionais em todo o processo (mecânicos e biológicos), bem como, a um desgaste excepcionalmente alto. Desta forma, custos elevados de investimento e operação inibiram inicialmente seu estabelecimento, apesar das múltiplas vantagens ecológicas atribuídas à tecnologia anaeróbia.

Entretanto, a tecnologia de biodigestão anaeróbia tem sido desenvolvida e otimizada, e os problemas técnicos foram reduzidos a um nível aceitável.

A Lei das Energias Renováveis promoveu condições financeiras favoráveis para as tecnologias anaeróbias, na Alemanha. Embora os custos de investimento de plantas de tratamento anaeróbio ainda sejam elevados, atualmente a diferença dos custos em relação às plantas aeróbias é expressivamente reduzida, comparado com os custos praticados nos meados dos anos 1990. Devido às receitas com a energia que podem ser obtidas como consequência dos regulamentos para os processos anaeróbios definidos pela Lei de Energias Renováveis, os custos de operação das tecnologias anaeróbia e aeróbia agora se encontram no mesmo nível. Em condições específicas, os processos de biodigestão anaeróbia podem até apresentar mais vantagens econômicas.

A cota de reciclagem de 65% e a obrigação da coleta seletiva de resíduos orgânicos a partir de janeiro de 2015, definida pela Lei Alemã da Economia Circular (ALEMANHA, 2012) terão uma função chave para a expansão do aproveitamento dos resíduos orgânicos e consequentemente, das tecnologias anaeróbias.

No início do ano de 2013, foi concluído o projeto de pesquisa “Aumento da eficiência energética no aproveitamento de resíduos orgânicos” (FKZ-Nr. 03KB022) fomentado pelo Ministério do Ambiente, Natureza, Construção e Segurança Nuclear (BMU). No âmbito deste projeto de pesquisa e desenvolvimento foi pesquisado o estado da arte e o potencial de desenvolvimento e otimização no tratamento anaeróbio de resíduos orgânicos. O foco estava no gerenciamento de fluxos de massa bem como, conceitos e tecnologia.

2 METODOLOGIA DO LEVANTAMENTO DE DADOS

O levantamento de dados incluiu plantas de tratamento anaeróbio de resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo bem como, plantas para o tratamento de rejeitos. Plantas que valorizam matérias-primas renováveis não foram consideradas. O levantamento de dados foi conduzido nos anos 2011 e 2012, por meio de questionários, entrevistas e visitas. Depois da conclusão do levantamento, os dados foram verificados por telefone com a vasta maioria dos operadores das plantas. Adicionalmente, os documentos foram enviados para os fabricantes e fornecedores mais relevantes, também com o objetivo de cruzar os dados levantados.

3 ESTIMATIVA DO POTENCIAL NA ALEMANHA

Na Alemanha as tecnologias de biodigestão alcançaram desenvolvimento expressivo nas últimas décadas devido às políticas públicas implementadas para a valorização da energia renovável. O estabelecimento de norma legal, em âmbito federal, que torna obrigatória a implementação da coleta seletiva de orgânicos, potencializa o emprego das técnicas de valorização das frações orgânicas, entre elas a própria biodigestão. Para um melhor planejamento e adequação das práticas ao novo cenário, tem-se a necessidade de formação de banco de dados. Para tal, este item retratará o status quo e as potencialidades da biodigestão de resíduos sólidos urbanos na Alemanha.

3.1 Estado Atual e Estimativa de Potencial no Aproveitamento de Resíduos Orgânicos Domésticos e de Paisagismo

Na Alemanha, a coleta seletiva de resíduos orgânicos tem atingido um alto nível de aplicação. Entretanto, a proporção de energia gerada por estes resíduos ainda é comparativamente baixa. O aproveitamento dos resíduos orgânicos, na sua maioria, ocorre por meio da compostagem. Segundo o Instituto de Estatística Alemão, 8,73 milhões de Mg de resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo foram coletados no ano 2010 (DESTATIS, 2012).

Estes resíduos são tratados em cerca de 990 plantas de compostagem e 63 plantas de tratamento anaeróbio (Tabela 1). A quantidade de resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo atualmente processada em plantas de tratamento anaeróbio é de 1,15 milhões de Mg por ano. A quantidade adicional destes resíduos que pode ser tratado pela biodigestão anaeróbia é avaliada em 6,6 milhões de Mg por ano. Essa quantidade resulta da ampliação do sistema de coleta seletiva de resíduos orgânicos em todo o território e dos resíduos orgânicos já coletados, mas ainda submetidos à compostagem.

Tabela 1 – Estado atual das plantas de tratamento para o aproveitamento de resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo (2012) e do tratamento de rejeitos (2011)

Aproveitamento dos resíduos orgânicos
Capacidade de tratamento instalada	12,0 milhões Mg/a
Quantidade de plantas de compostagem	990
Quantidades tratadas	9,6 milhões Mg/a
Quantidade de plantas de tratamento anaeróbio	63
Capacidade de processamento (biodigestão e compostagem)	1,84 milhões Mg/a
Quantidade de resíduos orgânicos conduzida para o tratamento anaeróbio	1,15 milhões Mg/a

Tratamento de rejeitos (TMB¹, EMB², EMF³)
Capacidade instalada (total)	5,76 milhões Mg/a
Quantidade de plantas (total)	44
Plantas de biodigestão	12
Capacidades de processamento relativo às quantidades totais (TMB, compostagem e biodigestão)	3,24 milhões Mg/a
Capacidades de processamento da etapa biodigestão anaeróbia	0,68 milhões Mg/a

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¹ TMB: tratamento mecânico-biológico com integração do aterro sanitário

² EMB: Estabilização mecânico-biológica (Secagem)

³ EMF: Estabilização mecânico-física (Secagem)

Fonte: Elaborada pelos autores (2014).

Tabela 2 – Prognóstico das quantidades totais de resíduos orgânicos adicionalmente tratáveis por biodigestão anaeróbia, na Alemanha

	Resíduos orgânicos domésticos	Resíduos orgânicos de paisagismo	Total
	(Mg/a)	(Mg/a)	(Mg/a)
Quantidade de resíduos orgânicos adicionalmente tratáveis, proveniente de resíduos já inclusos na coleta seletiva (existente)	2.099.000	2.433.000	4.531.000
Quantidade de resíduos orgânicos adicionalmente tratáveis, proveniente da coleta seletiva de resíduos orgânicos, ampliada para todo o território	2.056.000	-	2.056.000
Quantidade total	4.155.000	2.433.000	6.587.000

Fonte: Fricke et al. (2013).

Deve ser considerado nas quantidades adicionalmente coletadas, que os resíduos domésticos, contendo restos de cozinha, podem produzir quantidades de biogás de até 100% a mais, comparado com resíduos de paisagismo.

3.2 Estado Atual e Estimativa de Potencial no Tratamento de Rejeitos

Na Alemanha, atualmente 44 plantas de TMB estão em funcionamento, onde os resíduos sólidos urbanos (RSU) são submetidos a um tratamento mecânico e separados em diversos fluxos de materiais, os quais depois são tratados especificamente. A quantidade total de RSU tratada foi de 5,76 milhões Mg/a (ASA, 2011). Deste montante, 59% foram tratados em plantas de TMB convencionais, com integração de aterro sanitário, correspondendo a 3,24 milhões Mg/a. A metade destes resíduos (50%), a fração fina (< 60 mm a < 40 mm) foi tratada por processos biológicos (1,64 milhões Mg/a), onde 69% (0,96 Mio. Mg/a) foram submetidos ao tratamento aeróbio e 31% (0,68 milhões Mg/a) foram tratados por biodigestão anaeróbia.

Atualmente doze plantas de TMB com etapa de biodigestão anaeróbia estão em funcionamento (Tabela 1). Da fração fina submetida a um tratamento biológico, apenas 50 a 60% são conduzidos para a biodigestão, conforme o princípio da biodigestão de fluxos parciais. Dos processos aplicados, cinco pertencem ao processo a úmido e sete, a seco.

Devido ao superávit em capacidades de tratamento de resíduos, especialmente de incineração, provavelmente não haverá a construção de novas plantas de TMB. A demanda de capacidades para o tratamento anaeróbio existe em locais que ainda não possuem etapas de tratamento anaeróbio.

4 PROCESSOS DE TRATAMENTO POR BIODIGESTÃO

Figura 1 – Classificação dos tipos de processos da biodigestão

Fonte: Fricke et al. (2014).

As tecnologias de biodigestão de resíduos sólidos são diferentes das tecnologias aplicadas para a biodigestão de resíduos do tratamento de efluentes, de resíduos da agricultura e indústria bem como, das matérias-primas renováveis. As diferenças podem ser apontadas desde as tecnologias anaeróbias empregadas até as técnicas de preparo mecânico anterior à biodigestão até os processos de beneficiamento da massa digerida.

A classificação ocorre conforme o tipo do processo anaeróbio e de acordo com o tipo de alimentação da massa a ser digerida e não é determinada pelo tipo de pré-tratamento das matérias-primas da biodigestão. A percolação em condições anaeróbias é classificada como pré-tratamento a úmido, a própria biodigestão é classificada como processo úmido. Processos de prensagem são classificados como tratamento a seco, e dependendo da qualidade dos materiais produzidos (output), processos a seco ou a úmido são aplicados.

Os métodos e processos aplicados na biodigestão podem ser classificados segundo a Figura 1. Esta classificação fornece a base para a apresentação do estado atual da biodigestão anaeróbia de resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo, na Alemanha.

4.1 Processos Mesofílicos e Termofílicos

Nos processos anaeróbios, diversos organismos são responsáveis pela decomposição, cujo tipo e capacidade depende das temperaturas de processo. Duas estreitas faixas de temperatura são relevantes, onde os respectivos organismos apresentam seu desempenho ótimo. Na prática, as temperaturas relevantes se encontram nas faixas mesofílica (34 °C a 42 °C) e termofílica (50 °C a 60 °C). Todos os processos podem ser conduzidos nas faixas termofílicas e mesofílicas.

4.2 Processos a Seco e a Úmido

Os processos de biodigestão são diferenciados de acordo com o teor de umidade no material alimentado, em processos a seco e a úmido. Outra distinção advém do tipo de operação, em sistema contínuo ou em batelada. Os processos a seco operam com teores de matéria seca (MS) de 25% a 45%. Os processos em batelada operam com teores de MS acima de 30%, onde neste caso não existe a limitação dos teores de MS para cima, ela se determina pelo respectivo material de alimentação. Os teores de MS de resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo se encontram, via de regra, entre 35% a 50%. Os processos úmidos apresentam valores de MS menores de 12% a 15%, e os teores inferiores de MS, por exemplo, na aplicação de reatores com leito fixo, estão abaixo de 1%.

4.3 Processos a Seco Contínuos e em Batelada

Os processos contínuos são caracterizados pela alimentação do reator em intervalos regulares, e retirada de material digerido, em quantidades correspondentes. Com isso, biogás com pouca variação de quantidade e qualidade é produzido.

Por outro lado, nos processos em batelada, os reatores (túneis) são carregados com material fresco, em alguns processos misturado com uma proporção de material já digerido, e em seguida, fechados. Por um prazo de três a quatro semanas, o material é irrigado com água de processo e percolado, respectivamente, promovendo a degradação anaeróbia e a formação de biogás nos túneis anaeróbios e nos tanques de armazenagem de percolado. Independente da integração de um processo de biodigestão a úmido do percolado, estes processos em batelada são classificados como processos a seco, consciente que certa ambiguidade não pode ser evitada.

4.4 Processos de Fase Única e de Fases Separadas

A degradação anaeróbia ocorre em quatro etapas consecutivas, com participação de diversos tipos de micro-organismos: hidrólise, acidogênese, acetogênese e metanogênese. Em processos de fase única, todos os passos de degradação ocorrem dentro de um reator, portanto as condições do meio não podem ser adaptadas às específicas exigências dos vários grupos de micro-organismos que participam na decomposição do substrato. Nos processos de fases separadas a etapa de hidrólise e a formação de ácidos de baixo peso molecular ocorre em um ambiente separado da etapa metanogênica. A separação das fases possibilita a melhor adaptação das condições específicas de meio às exigências dos micro-organismos, mas resulta em um esforço maior em relação aos equipamentos, construção e operação. Os processos clássicos de fases separadas são restritos a processos a úmido.

Os processos de fases quase-separadas consistem em combinações de processos com uma primeira fase aeróbia, seguida por uma fase anaeróbia. A maior parte dos micro-organismos acidificantes são anaeróbios facultativos podendo existir na presença ou ausência de oxigênio. A fase aeróbia instalada antes do processo anaeróbio supostamente resulta em uma hidrólise e acidificação mais eficiente. O aquecimento do meio para as temperaturas desejadas mesofílicas ou termofílicas pode ser efetuado pela etapa aeróbia anterior, porém, estes processos são classificados como processos de fase única.

5 ESTADO E DESENVOLVIMENTO DA BIODIGESTÃO DE RESÍDUOS ORGÂNICOS DOMÉSTICOS E DE PAISAGISMO

Avaliando a linha do tempo, temos que o processo de desenvolvimento das tecnologias de biodigestão estava diretamente relacionado ao tipo de substrato empregado, desta forma tecnologias de biodigestão à úmido representaram as primeiras formas de processo em decorrência de seu emprego em resíduos homogêneos seja da agricultura seja de estação de tratamento de esgoto. Com a ampliação da aplicação para outras formas de resíduos orgânicos, tivemos o avanço no sentido dos processos a seco, tanto contínuos quanto descontínuos. Este item abordará as individualidades de cada tipo de tecnologia de biodigestão, comparará seus resultados bem como avaliará as tendências tecnológicas.

5.1 Estado das Instalações e da Engenharia de Processo da Biodigestão de Resíduos Orgânicos Domésticos e de Paisagismo

No ano 2012 funcionavam, na Alemanha, 63 plantas para o tratamento de resíduos domésticos e de paisagismo, segundo o estudo desenvolvido para o BMU (Tabela 3).

Ao menos cinco plantas, com capacidade de cerca 143.000 Mg/a, foram desativadas principalmente na década de 1990. Os motivos para a desativação foram:

Duas por falhas no funcionamento;
Uma por custos de tratamento não aceitáveis;
Uma por desativação de uma instalação experimental e de demonstração;
Uma por falta de resíduos apropriados.

Até o fim do ano 2013, mais 18 plantas entraram em funcionamento, com capacidade de processar 580.000 Mg/a, aumentando a capacidade total de tratamento de resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo para 1,94 milhões Mg.

Tabela 3 – Estado das plantas de aproveitamento de
resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo, na Alemanha

Estado	Quantidade	Capacidade
Plantas em funcionamento (02/2012)	63	1.359.000 Mg/a
Entraram em funcionamento até o fim de 2013	18	580.000 Mg/a
Plantas desativadas (10/2012)	5	143.000 Mg/a
Encerrou o tratamento de resíduos orgânicos (10/2012)	2	65.000 Mg/a

Fonte: Fricke et al. (2013; 2014).

5.2 Sistemas e Processos de Biodigestão

Na Alemanha, dezessete plantas são operadas em processo a úmido, com capacidade de cerca de 0,33 milhões Mg/a, e 46 plantas operam em processo a seco, com capacidade de cerca 1,03 Mg/a. As plantas com operação a seco podem ser agrupadas em 23 processos contínuos, com capacidade de aproximadamente 0,54 milhões Mg/a e 23 plantas operadas em batelada, com capacidade de 0,49 milhões Mg (Figura 2). As dezoito plantas que entraram em operação até o fim do ano 2013 são todas operadas em processo a seco.

A prevalência dos processos a seco se reflete, consequentemente, também nos processos de fases únicas ou separadas, pois, os processos clássicos de fases separadas são limitados a processos a seco. Das 63 plantas, apenas nove plantas, com capacidade de 0,17 milhões Mg/a, são operadas em fases separadas (Figura 3).

São 36 as plantas operadas na faixa mesofílica (0,75 milhões Mg/a) e 27, na faixa termofílica (0,60 Mg/a). Nos processos contínuos a seco, a operação na faixa termofílica é predominante, enquanto os processos em batelada a seco, na sua maioria, são operados na faixa mesofílica.

Figura 2 – Quantidade e capacidades dos processos a seco e a úmido, utilizados no tratamento de resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo na Alemanha

Fonte: Fricke et al. (2013; 2014).

Figura 3 – Quantidade e capacidades dos processos em fase única e fases separadas utilizados no tratamento de resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo, na Alemanha

Fonte: Elaborada pelos autores (2014).

5.3 Evolução Temporal da Construção de Plantas para o Tratamento Anaeróbio de Resíduos Orgânicos Domésticos e de Paisagismo

O tratamento anaeróbio de resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo, em escala industrial, teve início nos meados da década de 1990, antes apenas existiam plantas pilotos e de demonstração (Figura 4). A maior parte das plantas novas foi construída após 2003.

A tecnologia de processos e a operação apresentou uma forte evolução nos anos passados. Enquanto a construção de processos a úmido dominou na década de 1990, igualmente operados em fase única ou com fases separadas, a partir de 2000, praticamente todas as novas instalações construídas foram concebidas para a operação a seco. Este desenvolvimento continua nas instalações ainda em construção: todas as plantas em construção são processos a seco. O desenvolvimento das tecnologias a seco, em batelada também contribuiu para a prevalência dos processos a seco, na Alemanha. O “boom” dos processos a seco, em batelada, se iniciou em 2006. Das 36 plantas de tratamento anaeróbio a seco, instaladas na Alemanha desde 2006, 23 funcionam em sistema batelada. Das plantas atualmente construídas, a metade é concebida em sistema contínuo, a outra, em batelada.

Inicialmente, essa evolução também foi promovida pela Lei das Energias Renováveis (EEG), que garante subsídios às energias renováveis, e que promoveu especificamente os processos a seco. Consequentemente, este fomento específico dos processos a seco foi excluído quando da alteração da EEG no ano 2012.

Em relação aos sistemas e processos de fase única ou de fases separadas, o desenvolvimento aponta para a preferência de processos de fase única. Nos seis anos passados, nenhuma nova planta de fases separadas para o tratamento anaeróbio de resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo entrou em funcionamento. Das plantas atualmente construídas, também nenhuma foi concebida para a operação em fases separadas. Alguns dos fabricantes mais renomados relataram oferecer processos de fases separadas apenas se o cliente manifestasse esta vontade.

Figura 4 – Ano do início de funcionamento de plantas de tratamento anaeróbio de resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo, inclusive as plantas em construção, com distinção dos processos a seco e a úmido – Situação em 12/2013, inclusive as plantas em construção

Fonte: Elaborada pelos autores (2014).

Observa-se a tendência no aumento de sistemas com processos termofílicos. Em vários locais com processos a seco em batelada, a modificação do sistema para o processo termofílico é prevista. Como verificado com os fabricantes e fornecedores das plantas em construção, optou-se também, na maioria dos casos, para o processo termofílico. Além do efeito de higienização, espera-se obter um maior rendimento de biogás.

As capacidades de processamento das plantas de tratamento de resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo se encontram todas abaixo de 50.000 Mg/a. A capacidade de tratamento instalada com mais frequência está na faixa de 10.000 Mg/a a 30.000 Mg/a. Comparado com plantas de incineração de rejeito ou plantas de compostagem, essas capacidades são pequenas. As plantas atualmente construídas apresentam maiores capacidades de tratamento, situadas principalmente na faixa de 30.000 Mg/a a 70.000 Mg/a (Figura 5).

Figura 5 – Capacidades de processamento das plantas de tratamento anaeróbio para resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo – Situação em 02/2013. Inclusive as plantas em construção e imediatamente antes do início da construção

Fonte: Elaborada pelos autores (2014).

5.4 Disponibilização de Energia na Biodigestão Anaeróbia de Resíduos Orgânicos Domésticos e de Paisagismo

O objetivo geral da valorização dos resíduos é o de conseguir atingir um balanço ideal entre maiores taxas de recuperação de energia e uma boa qualidade dos produtos reciclados. A eficiência energética da reciclagem de materiais provenientes de resíduos orgânicos pode ser maior através da intensificação do uso de tecnologias anaeróbias.

5.4.1 Produção do biogás e do metano

Para o aproveitamento do biogás na forma de biometano é necessário implementar diversos sistemas de limpeza e purificação visando seu emprego como fonte de energia substituta ao gás natural.

Processos anaeróbios a seco e a úmido

A Tabela 4 mostra as quantidades médias de biogás e de teores de metano dos diversos sistemas e processos. O rendimento de biogás dos processos a seco é ligeiramente elevado comparado com o rendimento dos processos a úmido. O rendimento alto registrado nos processos termofílicos a úmido é um valor isolado. Os processos a seco em batelada apresentam rendimentos de biogás menores. Os dados de desempenho na Tabela 4 se referem ao material de alimentação (input) dos reatores, onde a relação do input para a planta fornece dados mais pertinentes, pois possibilita discriminar a quantidade de energia de fato produzida por tonelada de resíduos orgânicos. Nos processos contínuos a úmido e a seco, em média 20% (12% a 30%) do material descarregado é separado na etapa de tratamento inicial, antes da etapa de biodigestão, e conduzido diretamente para a compostagem. Devido à remoção de componentes pesados e de areia, os processos a úmido tendem apresentar valores elevados para estes componentes, comparado com os processos a seco em batelada que apresentam apenas 7% em média (0% a 10%). Conforme as taxas médias de separação, aplicam-se os fatores 0,8 e 0,93, para o cálculo relativo ao input da planta. Essa relação para o input das plantas resulta em uma redução das quantidades específicas de biogás e metano produzidas. Devido à separação de menores quantidades de resíduos antes da etapa de biodigestão, nos processos em batelada, a redução do rendimento específico de biogás também é pequena.

Do ponto de vista energético, o teor de metano tem maior relevância para a avaliação do desempenho dos processos. Os teores de metano determinados foram entre 51% v/v a 66% v/v (BMU, 2013). Os processos a úmido apresentaram concentrações de metano elevadas, com 63% v/v comparado com os processos a seco, os quais obtiveram valores médios de 58% v/v para os processos contínuos e de 57% v/v, para os processos em batelada. Os processos a úmido apresentam teores de metano mais altos comparados com os processos a seco contínuos, portanto os rendimentos específicos destes dois tipos de processo se encontram praticamente ao mesmo nível. As quantidades específicas de metano dos processos a seco em batelada se encontram aproximadamente 20% abaixo das respectivas quantidades dos processos contínuos.

Processos anaeróbios mesofílicos e termofílicos

O processo termofílico – nos tempos de retenção praticados – resulta em teores de biogás e correspondentemente, de metano, expressivamente elevados em todos os sistemas e processos (Tabela 2). O acréscimo na produção de metano é resultado do aumento da quantidade específica de biogás. Nos processos contínuos, a diferença está entre 21% a pouco menos de 30%. Nos processos a seco em batelada, a diferença está menor. A média do acréscimo no rendimento de metano observada nestes processos é de cerca 9%.

A demanda de calor dos processos termofílicos, comparado com os processos mesofílicos, é suprido em várias vezes pela produção adicional de energia térmica que resulta deste processo.

Os processos a seco em batelada, bem como os processos a úmido são, na sua maioria, operados na faixa mesofílica, enquanto a operação na faixa termofílica é mais encontrada nos processos contínuos a seco. Os processos primeiramente mencionados apresentam, portanto, um determinado potencial de otimização.

Processos anaeróbios de fase única e de fases separadas

Os processos de fases separadas foram avaliados para verificar se, na prática, os elevados rendimentos de metano esperados realmente são produzidos e, portanto, os maiores esforços na construção e na operação são justificados. Segundo a literatura, os processos de fases separadas resultam em rendimentos de metano maiores comparados com os processos de fase única. Porém, na prática, no tratamento anaeróbio de resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo, não foi possível confirmar os resultados.

Tabela 4 – Quantidades de biogás e teores de metano médios específicos dos diferentes sistemas e tecnologias de processos para o tratamento anaeróbio de resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo – relativo ao input para os reatores e para as plantas

Processo		Quantidade de biogás (m³/Mg input para o reator)	*Quantidade de biogás (m³/Mg input* para a planta)**	Teor de metano (%)	*Quantidade de metano (m³/Mg input* para a planta)**
a úmido	total	111	89	63	56
	Fase única	106	85	62	53
	- mesofílico	100	80	62	50
	- termofílico	130	104	63	66
	Fases separadas	115	92	63	58
	- mesofílico	115	92	63	58
	- termofílico	s.d.	s.d.	s.d.	s.d.
a seco	contínuo	122	98	58	57
	- mesofílico	109	87	59	51
	- termofílico	123	99	58	57
	batelada	87	81	56	46
	- mesofílico	87	81	56	45
	- termofílico	91	85	56	48

Fonte: Fricke et al. (2013; 2014).

5.4.2 Disponibilização de energia líquida

A disponibilização de energia através do aproveitamento do biogás e a demanda de energia para o processo da biodigestão é de importância decisiva para a avaliação da eficiência energética dos diversos processos. Afinal, este fato deve ser visto no contexto geral, com outros fatores como a disponibilidade das instalações, a vida útil dos equipamentos e os desgastes relacionados à construção civil e às máquinas (demanda acumulada de energia).

Disponibilização de energia elétrica líquida

Em 60 das 63 plantas, sistemas de cogeração são instalados. Ao menos três dessas plantas também injetam gás para uma microrrede de biogás, abastecendo outros sistemas de cogeração em vilarejos vizinhos com rede de calor existente e consumidores de calor, respectivamente.

Para melhor comparação, o estudo baseia o desempenho das determinadas fases de biodigestão no aproveitamento do biogás em sistemas de cogeração com eficiências unificadas. As eficiências elétricas relatadas no âmbito do levantamento se encontram na faixa de 32% a 42%. Para os cálculos foram usados os valores de 38% para a eficiência elétrica, e 46%, para a eficiência térmica.

A produção de energia elétrica e os rendimentos líquidos de eletricidade encontram-se na Figura 6.

Figura 6 – Comparação da produção e do consumo de energia elétrica bem como, rendimentos líquidos de eletricidade recuperáveis dos tratamentos anaeróbios a úmido e a seco, de resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo – relativos ao input para as plantas

Fonte: Elaborada pelos autores (2014).

Na avaliação do consumo próprio de energia de plantas de tratamento anaeróbio deve-se considerar, além do consumo de eletricidade, também o consumo de óleo diesel das máquinas móveis tais como, pás carregadeiras, peneiras móveis e agregados de trituração. Em relação ao consumo do óleo diesel, comparativamente poucas informações foram repassadas. Para os processos contínuos a úmido e a seco, a demanda de combustível tipo diesel foi de 1 L/Mg, para os processos a seco em batelada, de 1,5 L/Mg de input para a planta. O maior consumo de óleo diesel nos processos a seco em batelada se deve ao fato que nestes processos, o carregamento e a retirada do material dos reatores ocorre, via de regra, por meio de pás carregadeiras. O teor de energia do combustível consumido é transformado em kWh e acrescentado à demanda em energia elétrica.

Os consumos de eletricidade e de diesel, baseados nos dados levantados, são mais altos nos processos a úmido, com aproximadamente 65 kWh/Mg, do que nos processos a seco contínuos, com valores de 48 kWh/Mg. Os processos a seco em batelada apresentaram a demanda mais baixa, com apenas 36 kWh/Mg.

A baixa demanda própria de energia nos processos em batelada a seco comparado com os processos contínuos a úmido e a seco se baseia, principalmente, no baixo esforço na preparação do material e mistura antes da biodigestão, na ausência de um sistema de mistura nos reatores e na dispensa da prensagem depois da biodigestão. Nos processos a úmido, o transporte dos grandes volumes de suspensão e sua prensagem resultam em consumos de energia adicionais, comparados com os processos a seco.

Os resultados da produção líquida de energia elétrica mostram que a análise dos consumos de eletricidade e de combustível resulta em melhores valores dos processos a seco, e particularmente dos processos em batelada. Em média, a biodigestão contínua a seco apresenta o rendimento líquido mais alto. Apesar dos consumos próprios baixos, os processos a seco em batelada não atingem os rendimentos líquidos de eletricidade, dos processos contínuos, devido aos rendimentos baixos de metano. Os valores levantados no estudo não são compatíveis com os valores informados pelo Instituto Witzenhausen (2008, apud KERN et al., 2010), que relatou valores médios para o rendimento líquido de eletricidade, de 230 kWh/Mg (a seco, em batelada) e 250 kWh/Mg (a seco, contínuo). Porém, deve-se considerar que os valores informados pelo Instituto Witzenhausen se referem ao input para os reatores. Além disso, o rendimento específico de biogás produzido por processos a seco em batelada é considerado mais alto, com pouco menos de 100 Nm³/Mg input para os reatores.

Em média, a proporção da própria demanda energética, inclusive o combustível, na quantidade de eletricidade produzida nos processos a úmido, está em 31%. Os processos a seco contínuos e em batelada se encontram praticamente no mesmo nível, com 22% e 24%, respectivamente.

Um dos estudos do DBFZ (2010) aponta para a proporção da demanda elétrica própria de 7,9%, em plantas baseadas principalmente em dejetos de animais e plantas energéticas. Proporções acima de 20% raramente são encontradas. Este fato deve-se à ausência de etapas de processo exigentes em consumo energético, tais como, a preparação mecânica e a prensagem. A proporção pouco maior de consumo próprio energético, nos processos a seco em batelada, comparado com os processos a seco contínuos, é explicada pela menor produção de energia elétrica.

Disponibilização líquida de calor

Na avaliação da demanda interna de calor pelos sistemas, a manutenção das temperaturas de processo mesofílicas e termofílicas é observada e considerada adequadamente nos cálculos da disponibilização líquida de calor. Os diversos sistemas e processos possuem demandas de calor bastante diferenciadas. Como esperado, os processos a úmido apresentam demandas de calor comparativamente grandes, devido ao aquecimento necessário de grandes volumes de água e correspondentes perdas de calor. Portanto, a demanda de calor nos processos a seco é relativamente reduzida. Nos processos em batelada, não há demanda de calor para o aquecimento do material fresco adicionado aos reatores, pois devido ao sistema de tratamento, o calor é fornecido pela degradação aeróbia na fase inicial do processo. Alguns dos processos a seco contínuos utilizam o autoaquecimento do material por meio de uma fase curta de pré-tratamento aeróbio, de dois a três dias.

Em relação ao input para as plantas, os processos a seco em batelada e contínuos apresentam valores da disponibilização de calor quase idênticos, de 188 a 191 kWh/Mg, e 173 a 189 kWh/Mg, respectivamente. A disponibilização de calor dos processos a úmido é de 153 a 204 kWh/Mg.

Disponibilização de energia líquida total

A comparação da disponibilização da energia líquida total dos processos não é apresentada, devido à valorização diferente das formas de energia elétrica e térmica, e a alta insegurança em relação aos dados referentes à demanda de calor.

6 MEDIDAS PARA O MELHORAMENTO DA FUNCIONALIDADE E EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NO TRATAMENTO ANAERÓBIO DE RESÍDUOS ORGÂNICOS DOMÉSTICOS E DE PAISAGISMO

As medidas relevantes se referem aos segmentos:

Gerenciamento de fluxos de massas;
Tecnologia e operação;
Aproveitamento do biogás;
Pontos fracos.

As abordagens para o melhoramento se aplicam igualmente aos rejeitos dos resíduos sólidos urbanos.

6.1 Gerenciamento de Fluxos de Massas

A composição dos resíduos orgânicos está sujeita à variações sazonais em relação à quantidade bem como à qualidade.

Na Alemanha, os resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo apresentam picos de geração, especialmente no verão e no outono, estes em discrepância com o dimensionamento das plantas para uma capacidade de processamento equilibrada. Além da utilização reduzida da capacidade dos reatores, os desempenhos reduzidos na produção do biogás resultam em uma utilização reduzida da capacidade do sistema de cogeração e consequentemente, na diminuição das eficiências elétricas. O processo biológico nos reatores também é comprometido pela variação das quantidades e qualidades do input, conduzindo à produção reduzida de biogás e instabilidade do processo. No Brasil, este problema existe em dimensões bastante reduzidas ou está completamente ausente. Portanto, não serão apresentadas abordagens para a solução desta questão.

Na Alemanha, as variações sazonais na quantidade e composição de resíduos advindos de paisagismo também são bastante expressivas. A disponibilidade também de resíduos de paisagismo apropriados para o tratamento anaeróbio, agrava os problemas relacionados com a utilização da capacidade dos reatores e a produção do biogás, descritos. O fim da primavera e o verão são as estações com produção de maiores quantidades de resíduos orgânicos de paisagismo apropriados para a biodigestão, com potencial de biogás comparativamente alto. No outono, altas quantidades de folhas são produzidas, porém, com pouco potencial de biogás. No inverno, a produção de resíduos orgânicos de paisagismo apropriados para a biodigestão é insignificante.

A eficiência da biodigestão dos resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo, portanto, depende, na Alemanha, de medidas que visam equilibrar as quantidades processadas durante o ano.

6.2 Tecnologia e Operação

As tecnologias de biodigestão possuem características próprias que influenciam tanto a fase de planejamento quanto a fase de operação. Os itens a seguir irão exaurir estas diversidades e apontar melhores práticas conforme a tecnologia em estudo.

6.2.1 Pré-tratamento antes da biodigestão

O objetivo do pré-tratamento dos resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo é a adequação dos materiais para a decomposição anaeróbia, bem como, a separação dos componentes prejudicais ao processo e aos produtos. Nos primórdios do desenvolvimento do tratamento anaeróbio dos resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo, os resíduos foram triturados em uma dimensão < 40 mm. Com isso, esperava-se aumentar a disponibilidade da matéria orgânica para os micro-organismos e, portanto, a decomposição mais rápida e eficiente, dos substratos. Este tipo de pré-tratamento sofreu modificação nos anos passados, de forma que agora os resíduos são triturados de acordo com o respectivo processo anaeróbio utilizado, atingindo granulometrias < 60 mm a 80 mm. Desde então, várias plantas existentes foram reconfiguradas dessa forma.

De modo geral, o pré-tratamento dos resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo é dispensado nos processos em batelada, economizando, portanto, custos de investimento e de operação relacionados aos equipamentos necessários. Além disso, a trituração extensa do material, em partículas muito pequenas, pode resultar em menor permeabilidade do material dentro dos reatores para o percolado, reduzindo assim a produção do biogás.

A mistura dos resíduos orgânicos com resíduos da biodigestão e o carregamento dos reatores nos processos a seco em batelada ocorrem preferencialmente por meio de pás carregadoras. Este procedimento resulta em substratos comparativamente pouco homogêneos e pode reduzir a eficiência do processo da percolação. No âmbito de medidas para a otimização de uma planta de biodigestão a seco em batelada foram conduzidos ensaios de homogeneização dos substratos, por meio de um sistema móvel de reviramento de leiras, normalmente utilizado na compostagem. Já a ação homogeneizante de um reviramento resultou em um aumento expressivo da produção de biogás, de 10% a 15%. Os mesmos efeitos podem resultar de peneiramentos antecedentes, de granulometrias de 100 mm a 120 mm. As peneiras rotativas apresentam os melhores efeitos de homogeneização comparado com peneiras planas, além de submeter o material à força de cisalhamento.

A biodigestão de resíduos orgânicos de paisagismo requer a instalação de coleta seletiva, entrega e armazenamento do material em lotes, de acordo com sua aptidão para a biodigestão, compostagem ou para o aproveitamento energético. Resíduos orgânicos de paisagismo entregues mistos, como cortes de árvores e de arbustos precisam de um pré-tratamento específico, antes da etapa da biodigestão. Neste caso recomenda-se a trituração e o peneiramento, onde o material apropriado para a compostagem e o aproveitamento térmico é aquele com granulometria > 80 mm, enquanto o material < 80 mm fornece a fração apropriada para a biodigestão.

6.2.2 Alimentação dos reatores

O aumento da eficiência na biodigestão pode ser promovido por uma alimentação constante e equilibrada dos reatores, resultando em uma produção de biogás contínua, com qualidade constante. A alimentação dos reatores apenas durante o dia, e apenas nos dias úteis da semana, provoca variações na produção do biogás devido à alimentação esporádica. Isso se manifesta, sobretudo nas noites e nos fins de semana, com a queda expressiva da produção do biogás. Além disso, a qualidade do biogás é alterada logo após o início da alimentação (queda do teor de metano) e depois de um tempo prolongado sem alimentação (aumento do teor de metano).

6.2.3 Temperatura de processo

A operação na faixa termofílica resulta em um aumento expressivo do rendimento de biogás e correspondentemente, de metano, em todos os tipos de processos e com os tempos de retenção utilizados na prática. Os processos em batelada a seco, bem como, os a úmido na sua maioria são operados na faixa mesofílica, enquanto a maior parte dos processos contínuos a seco são operados na faixa termofílica.

Diante disso, os primeiros processos oferecem certo potencial de otimização. No mercado observa-se a tendência para um aumento do número de instalações de operação termofílica. Assim, em vários locais com processos a seco em batelada, a reconfiguração do processo para a operação termofílica é planejada. Como conferido com alguns dos fornecedores destes processos, a instalação de processos termofílicos também é prevista na maioria das plantas em construção. Além da higienização dos resíduos tratados espera-se também maiores rendimentos de biogás.

6.2.4 Prensagem

Os processos para o tratamento anaeróbio de resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo geram quantidades relevantes de água de processo e efluentes, respectivamente, comparados com os processos estritamente aeróbios. O aproveitamento da massa digerida proveniente da biodigestão de resíduos orgânicos e de paisagismo consiste no uso como biofertilizante nas lavouras agrícolas e, ou, no pós-tratamento aeróbio para a produção de compostos orgânicos.

O pós-tratamento aeróbio da massa digerida exige a sua prensagem. Esta etapa de tratamento demanda bastante energia e deve ser aplicada em todos os processos contínuos. Nos processos a seco em batelada, a prensagem antes do pós-tratamento por compostagem geralmente pode ser dispensada. O pós-tratamento aeróbio dos resíduos da biodigestão exige a prensagem do material para teores em torno de 60%, sendo aceitáveis também teores de umidade ligeiramente mais altos, quando há adição de materiais estruturantes. Os excedentes de efluentes estão entre 200 L/Mg e 500 L/Mg de material de input. O processo anaeróbio a seco em batelada gera excedentes de efluentes na ordem de 20 L/Mg a 60 L/Mg de material de input (Figura 7).

Os potenciais para a otimização na etapa de prensagem são:

Redução da intensidade de prensagem necessária por meio do uso de calor excedente durante a compostagem visando promover a secagem;
Uso intensivo de material estruturante, caso não haja outra forma de aproveitamento mais vantajoso;
Higienização dos resíduos da biodigestão sem pós-tratamento aeróbio e aproveitamento direto como biofertilizante em lavouras agrícolas.

Figura 7 – Excedentes de efluentes no tratamento anaeróbio de resíduos orgânicos domésticos e de paisagismo, segundo os diferentes processos de operação

Fonte: Fricke et al. (2014).

6.2.5 Disponibilidade de dados da demanda energética

Nenhuma das plantas dispõe de dados detalhados das demandas energéticas de subáreas ou agregados selecionados. Portanto, não foi possível a identificação de potenciais de economia de energia, a fim de aumentar a eficiência destes segmentos de processo. Porém, essas informações são consideradas como requisitos essenciais para medidas destinadas a aumentar a eficiência energética.

6.3 Aproveitamento do biogás

Em 72 das plantas, sistemas de cogeração são instalados, e pelo menos três dessas plantas injetam biogás para uma microrrede de biogás para o abastecimento de outros sistemas de cogeração em vilarejos vizinhos com rede de calefação e consumidores de calor, respectivamente (Tabela 5).

No mínimo, seis operadores purificam o biogás para atender a qualidade do gás natural e o injetam para os gasodutos do gás natural.

As eficiências elétricas atingidas estão na faixa de 32% a 42%, com a média de 38%, e as eficiências térmicas médias foram de 46%. Além das seis plantas com instalação para a purificação do biogás e injeção aos gasodutos, uma planta opera uma instalação piloto de célula de combustível abastecida com biogás, e uma planta está produzindo um combustível para abastecer a frota de veículos de coleta de resíduos.

Em 78 plantas, uma parte do calor residual está sendo utilizada para o aquecimento dos reatores e substratos e para manter as temperaturas necessárias dos processos mesofílicos e termofílicos, respectivamente. Em ao mínimo, dezessete das plantas, o calor residual é usado para a secagem dos resíduos da biodigestão, ou para o aquecimento do ar para o controle do processo da compostagem.

A eficiência elétrica dos sistemas de cogeração melhorou constantemente durante os anos passados (SCHNATTMANN, 2011). Na faixa de potência de 500 kWh, eficiências elétricas de 42% podem ser realizadas. O potencial para a otimização está na troca de sistemas para agregados mais modernos. Neste contexto, precisa-se considerar a redução das eficiências térmicas dos agregados mais modernos em favor das eficiências elétricas, portanto as consequências da troca do sistema de cogeração precisam ser avaliadas, especialmente quando já existe um plano de uso do calor. As eficiências térmicas são aproximadamente de 44%. O aumento da eficiência dos sistemas de cogeração resulta em maiores exigências à qualidade do biogás; neste contexto, a dessulfurização ganhou cada vez mais importância.

Tabela 5 – Tipo de aproveitamento do biogás e utilização do calor (várias respostas possíveis) – Situação de 12/2013

Utilização do biogás	Número de plantas
Cogeração eficiência elétrica média: 38% (32% a 42%)	72
Cogeração com microrrede de biogás	3
Injeção para a rede de gás natural	6
Célula de combustível	1
Combustível veicular	1

Utilização do calor	Número de plantas
Aquecimento de reatores e substratos	78
Secagem de resíduos da biodigestão, aquecimento do ar de processo para o controle do processo de compostagem	17
Aquecimento dos edifícios da planta	10
Injeção à rede de calefação	5
Secagem de produtos externos (lodos de ETEs, lenha, milho)	3
Aquecimento de estufas	1
Aquecimento de água para a limpeza de caçambas	1

Fonte: Elaborada pelos autores (2014).

6.4 Pontos fracos

No âmbito dos questionários e visitas das plantas, os pontos fracos de cada uma das etapas e dos equipamentos bem como, do sistema como um todo, estavam atrelados a importância dada ao estudo promovido. Como esperado, a vontade dos entrevistados de responder, foi bastante variada. Alguns dos entrevistados responderam à vontade e compartilharam livremente informações sobre os problemas técnicos das instalações bem como, sobre as dificuldades econômicas resultantes disso, porém, a maioria dos entrevistados se manteve reservada.

Os dados levantados nas entrevistas e nas visitas foram complementados com questionamentos para fornecedores de equipamentos e empresas de engenharia bem como, por análise de diversos processos jurídicos. Em relação à tecnologia de agregados, todos os entrevistados veem os potenciais para otimização principalmente nas áreas desgaste e esforços de manutenção bem como, na otimização da capacidade de processamento respectivamente, no aumento da eficiência da planta. Em relação à redução de desgaste e esforços de manutenção, foram frequentemente indicadas a influência da formação de sedimentos e incrustações, especificamente nos fermentadores e na prensagem. O complexo temático de abrasão e corrosão também foi mencionado muitas vezes.

6.4.1 Formação de sedimentos e incrustações

Problemas com a formação de sedimentos ocorrem igualmente nos processos a úmido e a seco. A sedimentação muitas vezes é acompanhada com incrustações, conduzindo a uma solidificação intensa do sedimento. As consequências para a operação podem ser resumidas a seguir:

6.4.1.1 Sedimentação / Incrustação

Depósitos de sedimentos nos reatores resultam em uma redução do volume disponível para a biodigestão. Na prática, foram registradas reduções de até 25% do volume inicial.
Depósitos em combinação com incrustações podem afetar negativamente os agregados mecânicos no reator, por exemplo, os sistemas de agitação e de remoção, que podem ser danificados por forças mecânicas excessivas ou até desativados, pelos bloqueios.
Em reatores horizontais com tecnologia de plug-flow, o transporte do material pode ser inibido promovendo, portanto, curtos-circuitos no fluxo do material. Em reatores verticais, incrustações e entupimentos podem ocorrer na saída do efluente.
Entupimentos de tubulações, diversas saídas, torneiras, válvulas.
O bloqueio de leitos fixos inibe o fluxo do efluente pelos reatores, prejudicando seu bom funcionamento.

6.4.1.2 Desgaste

Desgaste excessivo e até destruição, causados por abrasão, são observados principalmente em trituradores, bombas e instalações de prensagem.
Os processos de corrosão são promovidos por abrasões.

Os problemas mencionados podem resultar em graves consequências operacionais e econômicas, tais como, insuficiência no desempenho dos reatores e até avarias de processos. Nestes casos, os reatores precisam ser desativados. Depois de abertos, o material deve ser retirado para poder efetuar os consertos necessários. Em seguida, o processo de biodigestão precisa ser iniciado de novo. Na falta de capacidade de backup, o equipamento pode ficar inoperante por vários meses. Outros efeitos são a redução da vida útil nos agregados e componentes, com as respectivas consequências para os tempos de amortização e bases de cálculo para a manutenção, consertos e disponibilidade da planta, sendo que a eficiência energética é também prejudicada pelas restrições na disponibilidade funcional da planta.

6.4.1.3 Propostas de otimização

A exclusão tanto quanto possível, das frações minerais e de metais, antes da entrada nos reatores se constitui na medida mais importante para a solução dos problemas descritos acima, para todos os processos a úmido e a seco.

Processos a seco

Separação eficiente dos metais ferrosos e não ferrosos bem como, dos componentes pesados, antes da entrada do substrato (material orgânico) no reator.
Assegurar uma faixa estreita de viscosidade no substrato. Para a redução ao mínimo dos processos de sedimentação, deve ser ajustada uma faixa estreita de viscosidade do substrato, a qual não prejudique os processos de transporte e mistura, mas também iniba a rápida sedimentação dos componentes mais pesados. Essa faixa de viscosidade deve ser determinada especificamente para cada planta e de acordo com os respectivos materiais a serem tratados.
A ocorrência de zonas potenciais de sedimentação pode ser reduzida já na escolha da geometria dos reatores, observando e evitando possíveis zonas mortas e – especialmente em reatores verticais – escolher a angulação de tal maneira que favoreça a descarga de sedimentos. Especialmente na saída, a passagem livre do substrato deve ser promovida para a retirada também dos sedimentos, e para prevenir a ocorrência de entupimentos.
Dependendo da geometria do reator, a possível instalação de sistemas apropriados de purga e de remoção deve ser prevista. Sistemas de remoção, como transportadores de arraste, devem possuir fundos apropriados, especificamente resistentes a abrasão, devidamente afixados e com condução estável. Entretanto, um dos fornecedores dispensou completamente a instalação de sistemas de remoção (transportadores de arraste). Para a remoção de sedimentos, sistemas de injeção pressurizada de gás ou líquidos pressurizados podem ser instalados.
Diante da necessidade de aberturas de reatores e a remoção de sedimentos recomenda-se o planejamento dessas instalações com capacidade de backup, para evitar a falha total da etapa de biodigestão. A capacidade de backup também fornece o inóculo já adaptado, para a rápida reinicialização do reator em revisão. Porém, aspectos econômicos podem contrariar essa solução, notadamente em plantas menores.
A manutenção dos sistemas instalados dentro dos reatores normalmente é acompanhada pela sua abertura, portanto, sistemas com acionamentos instalados do lado externo dos reatores são mais vantajosos.
Recomenda-se a instalação de sistemas de controle apropriados para a medição da formação de sedimentos e incrustações, porém, os métodos acústicos e os baseados na espectrografia vermelha ainda não têm sua utilidade comprovada.
O tempo de utilização dos reatores sem necessidade de revisão ou abertura deve ser determinado na garantia de performance. No caso da necessidade de intervenção antes do vencimento deste prazo, um acordo sobre a responsabilidade destas despesas deve ser firmado.

Processos a úmido

Os autores possuem conhecimentos detalhados sobre a operação de processos anaeróbios a úmido, com e sem leito fixo. Os conhecimentos sobre os processos anaeróbios são derivados do tratamento de rejeitos de RSU, desta forma muitas das abordagens de soluções, detalhadas acima, também se aplicam, da mesma forma ou de forma modificada, para os processos a úmido e, portanto, não serão repetidas aqui.

O teor de sólidos no efluente deve ser limitado para < 1%, em reatores de leito fixo, para evitar os problemas de entupimentos. Não é possível inibir completamente a ocorrência de incrustações, porém, uma proporção considerável da matriz é retirada, e o pequeno teor de sólidos também resulta na redução dos esforços necessários para a remoção e eliminação de lodo.
A instalação de apenas um sistema para a remoção de componentes pesados, localizado no misturador / triturador, não é considerado como suficiente para prevenir os problemas relacionados com a formação de sedimentos. Bons resultados na separação de componentes pesados podem ser atingidos, via de regra, com a utilização de centrífugas de decantação. A princípio, a separação de componentes granulares pode ser efetuada com separadores de areia (lavadores de areia), porém, estes não são apropriados para a separação de areia muito fina e de fibras, como é necessário para reatores anaeróbios de leito fixo. Em reatores anaeróbios a úmido sem leito fixo, um separador de areia frequentemente é colocado depois do misturador. Praticamente todos os materiais fibrosos podem ser eliminados por meio de peneiras vibratórias revestidas com telas de granulometria fina. A avaliação do desempenho destes sistemas na eliminação de areias finas é difícil.

6.4.2 Corrosão e abrasão

Danos por corrosão, especificamente em materiais metálicos, são observados frequentemente em agregados periféricos de sistemas de tratamento anaeróbio, principalmente na etapa de pós-tratamento aeróbio dos resíduos da biodigestão. Como consequência, observa-se maiores esforços de manutenção e custos de reparação, tempo de vida útil reduzido bem como, inibição do processo de tratamento, com as respectivas consequências para os custos de operação e desempenho de processamento (FRICKE et al., 2009). As plantas de compostagem e de biodigestão anaeróbia apresentam o ambiente ideal para os processos de corrosão.

Propostas de otimização

Utilização de materiais adequados de construção e de equipamentos, de elevado valor, como os vários tipos de aços inoxidáveis em componentes expostos a forças mecânicas, especialmente a corrosão por erosão e fricção, entretanto também foram observados sinais de corrosão em aços do tipo V2A e V4A, por exemplo, corrosão por pite.
Substituição de tubulações metálicas por produtos de plástico ou de matérias minerais, em um caso, a tubulação de alumínio de liga AlMg₃, instalada no sistema de aeração por sucção, foi substituída por uma tubulação de plástico, devido à grave manifestação de corrosão.
Proteção da corrosão por revestimentos adequados. Experiências positivas foram feitas com revestimentos em três camadas após jateamento abrasivo com 80 µm: base com resina epóxi bicomponente e pó de zinco; camada intermediária: resina epóxi com óxido de ferro micáceo; acabamento: verniz a base de poliuretano.
Melhor separação das áreas de processo mais corrosivas, das outras áreas, por exemplo, por contenção de umidade, particulados e atmosfera contendo partículas de materiais orgânicos, por meio de medidas construtivas e de engenharia de processos, tais como, a instalação de unidades funcionais mais sensíveis, em áreas menos susceptíveis à corrosão.
Uma parte dos danos ocorreu em componentes danificados durante a montagem, e cujo revestimento não foi consertado em seguida. Estes pontos fracos são difíceis de evitar, e, portanto, inspeções devem ser conduzidas para localizar estes danos, e os consertos devem ser feitos o quanto antes.
Remoção frequente e diligente de camadas de biofilmes, das superfícies dos agregados e instalações.
As taxas de troca de ar devem ser adequadamente dimensionadas para assegurar a remoção suficiente de calor e umidade nos galpões.
Isolamento e operação em sobrepressão, das caixas de controle elétrico.
Monitoramento diligente dos materiais, e tomada de medidas imediatas para a proteção contra a corrosão em lugares afetados, ou com o revestimento danificado.
Utilização de componentes de desgaste em componentes sujeitos a uso intenso.

As propostas de otimização devem ser desenvolvidas bem como, métodos de consertos concebidos para a redução da corrosão em materiais de construção e de instalações devido aos mecanismos de ação prevalentes, com vistas à ampliação das capacidades das plantas de tratamento anaeróbio e de compostagem, e à demanda de manutenção e consertos em plantas existentes. Sobretudo, ainda faltam medidas preventivas de proteção a serem aplicadas na reforma em instalações existentes, mas também em instalações novas.

7 CONCLUSÕES

O tratamento anaeróbio de resíduos orgânicos está longe de ter a importância que deveria ser atribuída a essa tecnologia devido às vantagens ecológicas, resultando assim em potencial ainda alto de expansão e desenvolvimento deste setor, nos segmentos gerenciamento de fluxos de materiais, tecnologia e operação.

Na Alemanha existem 63 plantas em funcionamento, 46 delas operadas com o processo a seco, e dezessete, com o processo a úmido. As 46 plantas de processo a seco se dividem em 23 de operação contínua, e 23, de operação em batelada. A prevalência dos processos a seco se reflete também nos processos de fase única e de fases separadas, pois, os processos com separação de fases são limitados a processos a úmido. Das 63 plantas, apenas nove são operadas com separação das fases.

As tecnologias de biodigestão apresentaram desenvolvimento expressivo nos anos passados. Na década de 1990, a construção de plantas com processos a úmido prevaleceu. A partir de 2000, em quase todos os casos, processos a seco de fase única foram construídos. Este desenvolvimento continua nas plantas atualmente em construção. Como justificativas para este desenvolvimento foram indicados os baixos custos de investimento, alta segurança de funcionamento e a operação comparativamente simples. Também temos questões que influenciaram a mudança tecnológica tais como falta de qualificação dos operários e operações de curto prazo, privilegiando a aplicação de processos menos complexos.

O rendimento líquido de eletricidade em média mais alto foi produzido pelos processos contínuos a seco. Apesar dos consumos próprios baixos, os processos a seco em batelada não alcançam este desempenho. Os processos a úmido, comparados com os processos a seco contínuos não apresentam rendimentos de biogás e metano mais altos. Portanto, deve-se questionar a justificativa dos esforços de máquinas e de tecnologia comparativamente altos para processos a úmido para o tratamento de resíduos sólidos orgânicos e de paisagismo, ou rejeitos de RSU.

As opções para a otimização tecnológica são múltiplas. Nos processos contínuos a seco a necessidade da instalação da trituração intensiva precisa ser avaliada. Disso pode surgir certo potencial para a redução do consumo energético. A melhor homogeneização do material em processos de batelada pode resultar no aumento do rendimento de biogás. A separação dos componentes sedimentáveis reduz o risco da formação de sedimentos no reator e diminui as abrasões e o desgaste nos agregados a jusante, de maior importância no tratamento de rejeitos de RSU.

A operação em temperaturas da faixa termofílica leva ao aumento no rendimento de biogás e de metano em todos os processos. Os processos em batelada a seco são na maioria operados na faixa mesofílica e, portanto, oferecem potenciais para a otimização comparativamente altos.

O desenvolvimento da tecnologia da cogeração tem resultado na melhoria das eficiências elétricas. Esta tecnologia está disponível para instalações novas e quando a troca de equipamentos é necessária. A utilização das opções disponíveis para o aproveitamento do biogás ainda está limitada. Um grande potencial de otimização existe especialmente na utilização do calor.

A prensagem se constitui em uma etapa de maior consumo de energia. A utilização de excessos de calor residual, para o controle do processo no pós-tratamento aeróbio, a compostagem pode ser conduzida com maiores teores de umidade, resultando em volumes menores de água processual. Efeitos positivos podem ser esperados também em relação ao desgaste dos equipamentos de prensagem e no consumo de energia. A higienização dos resíduos da biodigestão antes ou durante o processo anaeróbio oferece a possibilidade do seu uso direto como biofertilizante. Essa opção de aproveitamento apresenta um alto potencial de otimização, para o aumento da eficiência energética.

Potenciais para a otimização da operação estão na alimentação equilibrada dos reatores, também durante a noite e nos fins de semana. Neste contexto, maior atenção deve ser dada à gestão do armazenamento. Além disso, a manutenção apropriada dos agregados instalados resulta em uma vida útil mais longa, e em economias no consumo de energia. A manutenção periódica dos motores resulta na redução de perdas mecânicas e possibilita uma economia no consumo de eletricidade, entre 3% e 10%. Para assegurar a alta disponibilidade de funcionamento da planta, as medidas apresentadas para a inibição da formação de sedimentos nos reatores devem ser consideradas, e sistemas de medição e controle, instalados.

As opções para a otimização do rendimento energético descritas formam a base para a sua quantificação. Como base de cálculo foram utilizados dados de desempenho do terço superior dos dados levantados. A derivação detalhada dos dados de desempenho prognosticados está disponível no relatório final (BMU, 2013). O conjunto das abordagens de otimização resulta em um fator de crescimento para o rendimento de eletricidade de, ao mínimo, 1,4 e para o rendimento de calor de, ao mínimo, 1,2.

A utilização do potencial de otimização é de fundamental importância para o aumento da eficiência. Os processos a seco em batelada tem sua aplicação em escala industrial apenas a partir de 2006. Portanto, o potencial de desenvolvimento nos processos em batelada é avaliado como comparativamente alto, quando comparado com os processos contínuos operados em escala industrial desde os meados da década de 1990.

O projeto de pesquisa e desenvolvimento, base desta publicação, foi financiado pelo Ministério Alemão do Meio Ambiente, Proteção da Natureza, Construção e Segurança Nuclear (BMU).

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Como citar [ABNT NBR 6023:2002]:

FRICKE, Klaus; PEREIRA, Christiane; HEUSSNER, Christof; HÜTTNER, Axel; TURK, Thomas. A Biodigestão de Resíduos Sólidos na Alemanha. In: FRICKE, Klaus; PEREIRA, Christiane; LEITE, Aguinaldo; BAGNATI, Marius. (Coords.). Gestão sustentável de resíduos sólidos urbanos: transferência de experiência entre a Alemanha e o Brasil. Braunschweig: Technische Universität Braunschweig, 2015. Disponível em: <https://goo.gl/BE246I>. Acesso em: .

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6 de março de 2017

A Biodigestão de Resíduos Sólidos na Alemanha