Biodigestion – Kompogas Technology
RESUMO
Agregar valor aos resíduos sólidos urbanos e poda verde com a tecnologia Kompogas para a geração de biogás, energia elétrica, energia térmica, GNV, e a produção de composto e fertilizante líquido, reduzindo assim consideravelmente os resíduos destinados para o aterro sanitário.
Palavras-chave: Biodigestão. Biogás. Energia elétrica. Composto. GNV.
ABSTRACT
Add value to the urban solid waste and the green cut by means of the Kompogas technology in order to generate biogas, electric energy, thermal energy, CNG, and to produce compost and liquid fertilizer, reducing substantially the waste destined to the landfill.
Keywords: Biodigestion. Biogas. Electric energy. Compost. CNG.
1 INTRODUÇÃO
Um enorme desafio que o Brasil necessita abraçar e encarar com dedicação e metodologia para com o meio ambiente e a sociedade é o destino adequado de resíduos sólidos. Em primeira instância, deve ser implementada a educação ambiental e a conscientização da população no âmbito de resíduos; para que a redução de resíduos gerados na fonte, ou ainda a não geração de resíduos, seja realizada. Adicionalmente devem ser enfocados outros tópicos, por exemplo: reutilização e reciclagem de materiais, para que o volume da matéria-prima e a energia introduzida para a fabricação de novos produtos sejam economizados. O tratamento de resíduos sólidos urbanos (RSU), a aplicação de tecnologias para a geração de energia elétrica e térmica, e a compostagem, bem como a destinação adequada de rejeitos neutralizados e estabilizados, que não possam ser enquadrados em nenhuma das aplicações acima referenciadas, fazem parte do escopo de manuseio de RSU. Outro aspecto inegável é a integração social dos catadores nas áreas de reciclagem, compostagem, triagem de materiais e tratamento de resíduos, para que eles ganhem uma vida mais digna como trabalhadores incorporados, exercendo suas funções em ambientes salubres, com todos seus direitos legais e sociais compensados.
Uma das tecnologias mais viáveis para ser aplicada no processamento de RSU é seu tratamento mecânico-biológico (TMB), cuja tecnologia é um projeto mecanismo de desenvolvimento limpo (MDL), reduzindo os gases de efeito estufa (GEE), sem incidência de chorume e reduzindo, substancialmente, o volume de resíduos destinados aos aterros sanitários.
2 DESCRIÇÃO DA TECNOLOGIA KOMPOGAS
O processo da Kompogas é a biodigestão termofílica, anaeróbia a seco.
2.1 Processo
Figura 1 – Módulo duplo de biodigestores
O processo da Kompogas é a biodigestão termofílica, anaeróbia, a seco. Os resíduos sólidos orgânicos passam pelo fermentador horizontal, cilíndrico, do tipo “plug type”. O teor de substância seca de no mínimo 30% dentro do biodigestor evita a mistura do material em sentido longitudinal. Com isso, o tempo de permanência dos resíduos sólidos orgânicos é de 15 a 21 dias. A temperatura termofílica de aproximadamente 55 °C possibilita a higienização do material processado.
2.2 Área de recebimento e triagem do RSU
O RSU coletado nos municípios é descarregado pelos caminhões compactadores no piso do prédio de recebimento dos resíduos sólidos da planta de biodigestão. Uma pá-carregadeira ou guindaste com pólipo movimenta o RSU no galpão, direcionando-o para a linha de tratamento mecânico.
Figura 2 – Área de recebimento do RSU
Fonte: Aterro BR-040 em Belo Horizonte – MG.
Uma correia transportadora encaminha o RSU para o primeiro posto de triagem manual onde os voluminosos inorgânicos, que se encontram fora dos sacos de lixo, estão sendo separados. Em seguida, os resíduos passam por um abridor de sacos para sua extração dos sacos de lixo e no segundo posto de triagem manual ocorre uma triagem de inorgânicos contidos nos sacos. Para a separação mecânica dos resíduos com granulometria maior e menor que 60 mm será aplicada a separação numa peneira rotativa, tipo trommel. O material < 60 mm, ou seja: a fração orgânica sólida, é encaminhada para a área de tratamento fino de resíduos orgânicos, onde estão previstos um separador magnético para a remoção de metais ferrosos, uma correia transportadora e um posto de triagem manual fina para a retirada de materiais inorgânicos ainda presentes na matéria-prima (cacos de vidro, pilhas, porcelana, plásticos etc.). O material > 60 mm (inorgânicos) é depositado em caçambas para sua classificação a ser efetuada fora da planta. Esta fração pode ser reaproveitada como recicláveis e combustível derivado do resíduo, de alto poder calorífico, o CDR.
Figura 3 – Carregamento de RSU para triagem
Os resíduos oriundos de poda verde, varrição e jardinagem são depositados na área de recebimento, também, e tratados em uma linha de tratamento independente. Estes resíduos são carregados em uma moega e encaminhados através de uma correia transportadora até um triturador. Em seguida, os resíduos preparados são encaminhados para sua mistura com os resíduos orgânicos preparados na primeira linha.
2.3 Estoque Intermediário
Depois de ter obtida a fração orgânica na granulometria menor que 60 mm, será encaminhada para o estoque intermediário, que assegura o fornecimento contínuo de orgânicos para os biodigestores, mesmo durante fins de semana, feriados e horários fora do expediente normal de trabalho dos turnos. Uma ponte rolante com pólipo efetuará o carregamento do dosador.
Figura 4 – Carregamento de resíduos sólidos orgânicos por ponte rolante
Uma correia transportadora leva o material orgânico do dosador para a correia reversível de alimentação dos fermentadores.
2.4 Transporte e Distribuição para a Alimentação dos Fermentadores
A correia transportadora reversível alimenta os resíduos orgânicos aos misturadores, que condicionam a matéria-prima, antes da sua biodigestão, com substrato fermentado (inoculação) e água prensada. Em seguida, bombas hidráulicas levam este material condicionado para o bocal de alimentação dos biodigestores. Este sistema de alimentação opera automático e continuamente, 24 horas/dia, garantindo a geração de biogás.
Figura 5 – Misturador para o condicionamento prévio dos orgânicos
2.5 Sistema de Biodigestão
Na região da entrada, o biodigestor é previsto de um aquecimento adicional através de lanças por onde flui água quente, para que o ajuste da temperatura para o processamento biológico possa ser alcançado rapidamente. Nas regiões central e de saída do biodigestor são previstas lanças de aquecimento, também, para a manutenção da temperatura termofílica.
Uma parte dos resíduos de fermentação (substrato) é recirculada para os misturadores (inoculação) objetivando a injeção de micro-organismos, servindo como catalisador inicial do processo de fermentação da matéria-prima nova, uma vez que este substrato se encontra em atividade biológica acelerada. Com o objetivo de evitar sobrecargas para o processo biológico, o fornecimento da quantidade diária é distribuído, uniformemente, ao longo do período de 24 h/dia.
No reator de biometanização completamente fechado, que funciona de forma anaeróbia (sem presença de oxigênio), estão sendo neutralizados sementes de plantas, germes e micro-organismos. O reator tubular horizontal (plug flow), continuamente abastecido, possibilita uma alta produção de biogás e pelo alto teor de substância seca não há mistura de material em sentido longitudinal, com que as bactérias encontram os ambientes ideais para cada etapa de degradação sucessiva dos orgânicos (hidrólise, formação de ácidos, geração de biogás). A outra vantagem é que de cada etapa do processo pode ser efetuada uma tomada de provas para análise laboratorial.
Figura 6 – Fermentador modular para o processamento de 45 t/dia de resíduos orgânicos
O mecanismo misturador com baixo giro não ocasiona um efeito de deslocamento axial do substrato, mas provoca uma desgaseificação otimizada pelo movimento do misturador. Pela disposição especial das pás do mecanismo de mistura é evitada uma sedimentação dos sólidos no substrato de biodigestão (areia, pedrinhas), que permanecem suspensos. Com isso, um esvaziamento periódico do biodigestor se torna desnecessário.
A temperatura no biodigestor, o nível de enchimento, bem como a quantidade de gás produzida são controlados, constantemente. O biodigestor é previsto de diversos dispositivos de segurança, por exemplo: proteção contra sobrepressão, excesso de enchimento (nível alto), discos de ruptura e queimador.
O biogás gerado nos biodigestores será levado a unidades motogeradoras para a geração de energia elétrica, ou para a limpeza e o tratamento do biogás objetivando a subsequente produção de GNV.
Figura 7 – Substrato dentro do biodigestor
2.6 Distribuição de Calor
O sistema de distribuição de calor se encontra ao lado dos biodigestores. Todos os circuitos de aquecimento são alimentados a partir de um coletor de distribuição de água quente. Cada biodigestor é alimentado por três circuitos de aquecimento (entrada, central, saída) compostos de lanças instaladas no interior dos biodigestores.
Figura 8 – Distribuição de energia térmica através de circuitos de água quente e lanças
Quando não for previsto um motogerador, a energia térmica necessária para este aquecimento será fornecida através de uma caldeira alimentada pelo biogás produzido pelos próprios biodigestores e um circuito fechado de água de aquecimento para circulação da água no sistema de distribuição. Para a fase de partida da planta, até que o próprio biogás for gerado e encontrar-se disponível nas condições operacionais requeridas, será utilizado óleo diesel numa caldeira separada.
2.7 Sistema de Descarregamento, Desidratação e Compostagem
Após o processo de biodigestão, o substrato é bombeado para o sistema de prensagem, tipo parafuso extrusor, onde é feita a separação das frações sólida e líquida.
A fração sólida é encaminhada para as baias de aerobização previstas de ventilação forçada, onde o substrato prensado permanece por um período de maturação de duas a quatro semanas. O material está sendo virado, a cada dois dias, através de uma pá-carregadeira.
Em seguida é feita a pós-compostagem durante um período de oito semanas em leiras, dentro de um prédio coberto, porém aberto lateralmente, para a continuação da secagem aeróbia do composto.
Figura 9 – Sistema de bombeamento do material para o prédio de prensagem
A fração sólida biológica orgânica obtida na prensagem passará por um processo de compostagem, resultando em um composto orgânico para destinação final em agricultura, jardinagem, remediação de solos (aterros fechados) ou outros fins similares. Caso não haja demanda para o composto na região onde o fermentador for instalado, o material orgânico já degradado, estabilizado e inerte poderá ser utilizado como condicionador de solo ou retornado para o aterro sanitário, onde este material poderá ser utilizado para o recondicionamento, remediação e infraestrutura, bem como cobertura para diminuir a emissão de gás metano para a atmosfera.
Figura 10 – Prensa para desidratação do substrato
Figura 11 – Fração sólida na área de aerobização
Figura 12 – Pós-compostagem
A fração líquida é estocada em um tanque de concreto e poderá ser aproveitada como condicionador de solos. A fração líquida biológica orgânica obtida no processo de prensagem não tem as características nocivas de chorume, uma vez que a fermentação é um processo biológico, e pode ser utilizada como fertilizante líquido de alta qualidade para o condicionamento de solos e irrigação de plantações de árvores, parques, cana-de-açúcar, entre outros. Caso não haja demanda para este fertilizante, a solução adequada seria seu tratamento numa estação de tratamento de efluentes prevista dentro da própria planta ou mesmo seu encaminhamento para uma estação de tratamento de esgoto (ETE) mais próxima.
2.8 Sistema de Aproveitamento do Biogás
Uma vez que o fermentador de arranjo horizontal é preenchido com aproximadamente 70% de material, a câmara situada na parte superior serve como acumulador de biogás (gasômetro). A destinação mais frequente para o biogás gerado no biodigestor é sua combustão em grupos de motogeradores para a geração de energia elétrica. A outra opção seria o tratamento do biogás para retirada do dióxido de carbono e a geração de gás natural (biometano) para sua injeção em rede de concessionário ou mesmo para a produção de gás natural veicular (GNV).
Figura 13 – Motogerador para a combustão do biogás e a geração de energia elétrica
Figura 14 – Dispensador de GNV
Figura 15 – Sistema queimador fechado para a queima de biogás excedente
Quando o grupo motogerador se encontrar parado ou caso a produção de biogás ultrapassar o consumo de gás retirado, seu excedente será queimado através do “flare”, do tipo tubo isolado e ignição automática, alocado em lugar seguro, com chama invisível e sem interferência por vento e intempéries.
A cobertura hermeticamente fechada do biodigestor funciona como pulmão para o acúmulo do biogás. Todavia, o biogás é constantemente extraído do biodigestor e encaminhado para, por exemplo: a combustão em motogeradores. Por motivos de segurança, caso haja problema operacional da instalação ou necessidade de manutenção destes conjuntos, o biogás excedente será queimado num flare isolado e automático à sobrepressão de 45 mbar, situado na parte superior do fermentador. Caso a pressão continuar subindo, um selo de água libera o biogás para a atmosfera à sobrepressão de 60 mbar. Numa última instância e com maior aumento da pressão, um disco de ruptura rompe à sobrepressão de 100 mbar. Todos estes componentes de segurança se encontram na parte superior do fermentador. Através da sua instalação o risco de acidentes por explosão do biogás é eliminado.
2.9 Biofiltro
Na área de recebimento e pré-tratamento do lixo existe uma emanação de odores provenientes do processo de degradação inicial da fração orgânica do lixo urbano na fase do seu recebimento no prédio. Para o controle destes odores é previsto o enclausuramento desta área e um sistema de exaustão de gases, que garante uma pressão negativa no ambiente. Os gases captados pontualmente nas estações fechadas de triagem manual e do interior do prédio são exauridos e encaminhados para seu tratamento.
Dentro da casa de prensagem existe uma forte emanação pontual de odores provenientes do líquido fertilizante (gás amoníaco) e no prédio de compostagem existem ainda leves odores provenientes da aerobização do substrato sólido prensado. Estes odores são devidamente controlados através do enclausuramento do ambiente e pressão negativa em seu interior, bem como pela troca de ar (exaustão) e encaminhamento para seu tratamento.
O ar exaurido contendo odores é levado para um sistema de tratamento de lavagem do ar e o biofiltro, onde os odores são eliminados quando passar pela camada filtrante.
2.10 Instalações Elétricas, Controle e Visualização
Na sala de comando e de controle elétrico será instalada uma estação de operação para visualização das diversas funcionalidades, como os dados de processo e para comando remoto dos acionamentos previstos na unidade. Nesta sala serão previstos ainda controlador lógico programável (CLP) e módulos de entradas e saídas, discretas e analógicas, montados num painel que, em conjunto com a estação de operação, viabiliza o controle e a automação da planta.
Entre o CLP e a estação de operação (supervisório) a troca de dados se dará por rede de comunicação Ethernet TCP/IP.
Um centro de controle de motores (CCM) será instalado na sala elétrica para acionamento dos motores elétricos previstos na unidade. Este CCM receberá do CLP (através de sinais discretos) os comandos para os acionamentos.
Próximo de cada motor elétrico da planta é prevista a instalação de um posto de comando a ser utilizado apenas para as condições de manutenção. Estes postos permitirão o acionamento local dos equipamentos através de botões liga/desliga, sem que haja neste instante nenhum intertravamento lógico.
Figura 16 – Máscara do processo do biodigestor
3 VANTAGENS DO PROCESSO
A tecnologia de tratamento de resíduos orgânicos através do processo de biodigestão apresenta as seguintes vantagens:
a) gerar biogás a partir da fração orgânica do lixo domiciliar sólido;
b) reduzir significativamente o volume de resíduos urbanos depositados no aterro sanitário;
c) reduzir o tempo necessário para compostagem, aumentando assim a produtividade, bem como aumentar a qualidade do composto orgânico devido à higienização total que ocorre dentro do fermentador;
d) produzir fertilizante líquido orgânico que poderá ser comercializado para os agricultores locais;
e) dar o direito a créditos de carbono em função da redução de emissão de gás efeito estufa (GEE);
f) melhorar o conceito social e ambiental pela unidade de beneficiamento de resíduos;
g) gerar emprego de melhor qualidade para os trabalhadores;
h) eliminar o chorume proveniente da disposição convencional em aterros sanitários, sendo que é gerado pelos resíduos orgânicos;
i) não há emissão de poluentes atmosféricos, tais como: SOx, NOx, dioxinas e furanos;
j) a instalação requer uma área de tamanho reduzido para sua implementação e pode ser construída sobre um solo sem maiores exigências;
k) facilidade para futura expansão pelas características do conceito de modulação dos biodigestores.
4 DADOS OPERACIONAIS – MÓDULO DUPLO
Tabela 1 – Dados operacionais de módulo duplo de biodigestores
s
Produto gerado
|
Energia elétrica
|
GNV
|
Habitantes do município
|
180.000
| |
Geração de resíduos sólidos (kg/dia/habitante)
|
1
| |
Resíduos sólidos urbanos (RSU) (t/dia)
|
180
| |
Fração de resíduos orgânicos (%)
|
50
| |
Quantidade total de resíduos sólidos orgânicos (t/dia)
|
90
| |
Quantidade de biodigestores
|
2
| |
Geração de biogás (Nm3/h)
|
500
| |
Dados esperados do biogás (saturado)
|
58% CH4, 42% CO2, < 1.200 ppm H2S @ 40 mbar e 52 °C
| |
Geração energia elétrica (kWh/h)
|
1.025
|
-----
|
Geração energia térmica (kWh/h)
|
1.075
|
-----
|
Consumo próprio de energia elétrica (kWh/h)
|
200
| |
Consumo próprio de energia térmica (kWh/h)
|
235
| |
Excedente de energia elétrica (kWh/h)
|
825
|
-----
|
Quantidade de casas alimentadas @ 100 kWh/mês
|
5.900
|
-----
|
Excedente de energia térmica (kWh/h)
|
840
|
-----
|
Quantidade motogeradores
|
1
|
-----
|
Potência instalada (kW)
|
1.200
|
-----
|
Geração de biometano (Nm3/h) (> 95% pureza) – 250 bar de pressão de estocagem
|
-----
|
290
|
Abastecimento de tanques de 15 m3 (quantidade/dia)
|
-----
|
450
|
Área requerida (m2) (sem infraestrutura e com pós-compostagem)
|
22.500
| |
Sólidos do substrato – composto / condicionador e remediação de solos (t/dia)
|
25
| |
Líquidos do substrato – fertilizante / irrigação (t/dia)
|
40
| |
s
Produto gerado
|
Energia elétrica
|
GNV
|
Habitantes do município
|
180.000
| |
Geração de resíduos sólidos (kg/dia/habitante)
|
1
| |
Resíduos sólidos urbanos (RSU) (t/dia)
|
180
| |
Fração de resíduos orgânicos (%)
|
50
| |
Quantidade total de resíduos sólidos orgânicos (t/dia)
|
90
| |
Quantidade de biodigestores
|
2
| |
Geração de biogás (Nm3/h)
|
500
| |
Fonte: Documentação de Engenharia da Kompogas.
Tabela 1b – Dados operacionais de módulo duplo de biodigestores
Produto gerado
|
Energia elétrica
|
GNV
|
Dados esperados do biogás (saturado)
|
58% CH4, 42% CO2, < 1.200 ppm H2S @ 40 mbar e 52 °C
| |
Geração energia elétrica (kWh/h)
|
1.025
|
-----
|
Geração energia térmica (kWh/h)
|
1.075
|
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Consumo próprio de energia elétrica (kWh/h)
|
200
| |
Consumo próprio de energia térmica (kWh/h)
|
235
| |
Excedente de energia elétrica (kWh/h)
|
825
|
-----
|
Quantidade de casas alimentadas @ 100 kWh/mês
|
5.900
|
-----
|
Fonte: Documentação de Engenharia da Kompogas.
Tabela 1c – Dados operacionais de módulo duplo de biodigestores
Produto gerado
|
Energia elétrica
|
GNV
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Excedente de energia térmica (kWh/h)
|
840
|
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|
Quantidade motogeradores
|
1
|
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|
Potência instalada (kW)
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1.200
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|
Geração de biometano (Nm3/h) (> 95% pureza) – 250 bar de pressão de estocagem
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-----
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290
|
Abastecimento de tanques de 15 m3 (quantidade/dia)
|
-----
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450
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Área requerida (m2) (sem infraestrutura e com pós-compostagem)
|
22.500
| |
Sólidos do substrato – composto / condicionador e remediação de solos (t/dia)
|
25
| |
Líquidos do substrato – fertilizante / irrigação (t/dia)
|
40
| |
Fonte: Documentação de Engenharia da Kompogas.
5 REFERÊNCIAS DE INSTALAÇÕES
No Brasil não existem ainda referências de plantas operando para o tratamento mecânico e biológico de resíduos sólidos orgânicos.
Todavia, o processo da Kompogas já foi implementado a nível mundial, no período de 1988 a 2013, na totalidade de 54 plantas com 110 fermentadores instalados em nove países, ou seja: Suíça, Alemanha, Áustria, França, Espanha, Holanda, Qatar, Japão e Itália.
Figura 17 – Planta de Fulda (Alemanha) – dois biodigestores para 90 t/dia de orgânicos
Figura 18 – Planta demonstrativa de Otelfingen (Suíça) – um biodigestor para 30 t/dia de orgânicos
A capacidade de resíduos sólidos orgânicos pode alcançar até 300.000 t/ano, sendo processado em quinze módulos de biodigestão. O biogás gerado pelo processo, na maioria das suas aplicações, é usado para a produção de energia elétrica.
A experiência adquirida pelo período superior a vinte anos garante um procedimento permanente de melhoramento e inovação nos âmbitos de tecnologia, processo e segurança operacional.
6 CONCLUSÕES
Não obstante a não existência de unidades TMB instaladas e operando no Brasil, vários projetos e planos municipais (consorciais) para o tratamento e a destinação de resíduos sólidos em elaboração no âmbito de diversos municípios e consórcios de cidades estão sendo analisados técnicos e financeiramente para sua implementação local.
Todavia, três contratos de parceria público-privada (PPP) foram concluídos para as cidades de Embu, Cotia e Piracicaba com a empresa ENOB. Para a planta de Piracicaba foi obtida a licença ambiental prévia, sendo que a licença de instalação deverá ser liberada em breve. Isto significa que a aplicação desta tecnologia está sendo reconhecida como sendo viável para o tratamento de RSU, bem como de geração de biogás, energia elétrica e a produção de composto. O reconhecimento da viabilidade tecnológica, e a determinação e a negociação das tarifas para os produtos gerados proporcionarão sua aplicabilidade mais adequada ainda no Brasil, reduzindo drasticamente o destino de RSU para os aterros e seu aproveitamento para a geração de produtos comerciáveis, não simplesmente enterrando e desperdiçando “fortunas”, mas valorizando-os em benefício da sociedade.
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Uso autorizado desde que citada a fonte e informado via e-mail: gsrsu.br@gmail.com
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VENDRIX, Carlo. Biodigestão – Tecnologia Kompogas. 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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