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UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ
André Luiz Iannicelli
REAPROVEITAMENTO ENERGÉTICO DO BIOGÁS DE UMA
INDÚSTRIA CERVEJEIRA
Taubaté - SP
2008
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2
UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ
André Luiz Iannicelli
REAPROVEITAMENTO ENERGÉTICO DO BIOGÁS DE UMA
INDÚSTRIA CERVEJEIRA
Taubaté - SP
2008
Dissertação apresentada para a obtenção do
Título de Mestre pelo Curso de Engenharia
Mecânica do Departamento de Engenharia
Mecânica da Universidade de Taubaté.
Área de Concentração: Energia e Gestão
Ambiental na Indústria
Orientador: Prof. Dr. José Rui Camargo
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ANDRÉ LUIZ IANNICELLI
REAPROVEITAMENTO ENERGÉTICO DO BIOGÁS DE UMA INDÚSTRIA
CERVEJEIRA
Data:__________________________________
Resultado:______________________________
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. José Rui Camargo Universidade de Taubaté
Assinatura_______________________________
Prof. Dr. Carlos Alberto Chaves Universidade de Taubaté
Assinatura_______________________________
Prof. Dr. Carlos Daniel Ebinuma Universidade Estadual Paulista
Assinatura_______________________________
Dissertação apresentada para a obtenção do Título
de Mestre pelo Curso de Engenharia Mecânica do
Departamento de Engenharia Mecânica da
Universidade de Taubaté.
Área de Concentração: Energ
ia e Gestão Ambiental
na Indústria
Orientador: Prof. Dr. José Rui Camargo
4
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho à minha família e amigos, em especial para minha esposa Juliana Rodrigues
Iannicelli, meus filhos Bruno Rodrigues Iannicelli e Miguel Rodrigues Iannicelli, e também para
minha mãe Luiza Adete Gonçalves Iannicelli, que tiveram muita paciência e me deram muito
apoio nesta fase de minha vida.
5
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus pela minha disposição e vontade para enfrentar os desafios;
A toda minha família por dividir meus anseios e preocupações;
Ao corpo de professores do programa de mestrado por todo o conhecimento passado e pela ajuda
durante o desenvolvimento do trabalho;
A Cervejarias Kaiser Brasil SA de Jacareí, em nome das pessoas que facilitaram o acontecimento
deste curso de mestrado, principalmente o Sr. João Roberto Arizono, Candido Augusto Menconi,
João Carlos Rodrigues e Argemiro Campos por todo apoio técnico e incentivo financeiro;
Ao aluno Diego Mendes Hamzagic que desenvolveu outro trabalho de aproveitamento de biogás
na mesma Cervejaria e contribuiu com informações técnicas sobre o tema estudado bem como as
análises de pureza do biogás.
A Empresa ENIPLAN Brasil, principalmente o Sr. Lourenço pelas informações sobre a planta de
recuperação e purificação dos gases;
Agradeço ao Professor Sebastião Cardoso pela instrução, ajuda técnica e apoio no
desenvolvimento deste trabalho e principalmente ao Orientador Professor José Rui Camargo que
assumiu apoiar o desenvolvimento do meu trabalho.
6
RESUMO
O homem ao promover o desenvolvimento industrial e tecnológico, tem contribuído para a
degradação ambiental. Hoje a sociedade está diante do maior desafio das últimas décadas, pois,
para dar prosseguimento a esse modelo de desenvolvimento, haverá aumento no consumo de
energia, que é altamente poluente, e cujas fontes estão prestes ao esgotamento. A racionalização
do uso das energias convencionais e a utilização de energias não poluentes podem representar o
caminho a ser seguido, porém a substituição de parcela relevante dessa energia demanda muita
pesquisa e tempo. Este trabalho apresenta uma alternativa para aproveitamento do biogás gerado
em uma estação de tratamento de efluentes de uma cervejaria, que utiliza o processo anaeróbio
para efetuar o tratamento, visto que a alta geração de carga orgânica consiste em uma das
principais características para o tratamento de afluentes deste tipo de indústria. O estudo permite
fazer uma comparação sócio-ambiental e econômica, entre a atual utilização do biogás,
caracterizado como uma fonte de energia primária que é queimado diretamente na atmosfera, e a
nova utilização proposta na qual o biogás será armazenado e utilizado como combustível em
máquinas térmicas. A energia gerada pelas máquinas térmicas é destinada à indústria que deixará
de comprar o equivalente de fornecedores externos. O projeto contempla ainda ganhos
financeiros com o atual comércio de créditos de carbono e se executado com êxito pela indústria
atrairá ganhos ambientais, sociais e econômicos.
Palavras Chave: Biogás. Cervejaria. Efluente. Energia.
7
ABSTRACT
The man to promote the industrial and technological development, has contributed to
environmental degradation. Today the company is facing the biggest challenge in decades, to
further the development of this model, there will be increase in energy consumption, which are
highly polluting, and whose sources are about to exhaustion. The rationalization of the use of
conventional energy and the use of clean energy may represent the path to be followed, but the
replacement of relevant portion of this energy demand a lot of research and time. This paper
presents an alternative for use of biogas generated on a sewage treatment station of a brewery,
which uses the anaerobic process to make the treatment, since the generation of high organic load
is a key feature for the treatment of tributaries this type of industry. The study allows to compare
environmental and socio-economic, between the actual use of biogas, characterized as a primary
energy source that is burned directly in the atmosphere, and use new proposal in which the biogas
will be stored and used as fuel in thermal machines. The energy generated by thermal machines
for the industry that will no longer buy the equivalent of external suppliers. The project also
includes financial gains with the current trade in carbon credits and if successfully implemented
by the industry earned attract environmental, social and economic.
Key Words: Biogás. Brewery. Wastewater. Energy.
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 01 – Conversão biológica nos sistemas aeróbios e anaeróbios 23
Figura 02 – Digestão anaeróbia como tecnologia de integrada de tratamento de 24
esgotos e de recuperação de subprodutos
Figura 03 – Esquema simplificado da digestão anaeróbia com os compostos 25
resultantes
Figura 04 – Seqüências metabólicas e grupos microbianos envolvidos na digestão 27
anaeróbia
Figura 05 – Seqüências metabólicas e grupos microbianos envolvidos na digestão 32
anaeróbia com redução de sulfato
Figura 06 – Rotas de Formação de Metano a partir da fermentação de substratos 34
complexos
Figura 07 – Esquemas de Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente e Manta de Lodo 38
Figura 08 – Desenho esquemático do reator anaeróbio UASB 40
Figura 09 – Foto Empilhadeira movido à GLP 57
Figura 10 – Foto Caldeira para Geração de Vapor movida à Gás Natural 61
Figura 11 – Foto da Turbina e Caldeira do Sistema de Cogeração de Energia Elétrica 63
e Térmica movido à Gás Natural
9
LISTA DE TABELAS
Tabela 01 – Vantagens e Desvantagens dos Processos Anaeróbios 21
Tabela 02 – Algumas reações de oxiredução importantes na digestão anaeróbia 34
Tabela 03 – Principais etapas do gerenciamento do lodo 44
Tabela 04 – Etapas do gerenciamento de lodo e principais processos utilizados 45
Tabela 05 – Composição média biogás 47
Tabela 06 – Variação do poder calorífico em relação à composição do biogás 48
Tabela 07 – Comparação PCI biogás com outros gases 48
Tabela 08 – Equivalência energética biogás 49
Tabela 09 – Densidade dos gases em estudo 50
Tabela 10 – Poder Calorífico dos Gases em estudo 50
Tabela 11 – Relação dos Volumes dos Gases e Poder Calorífico comparado ao Biogás 51
Tabela 12 – Volume de Biogás e Lodo Gerado 52
Tabela 13 – Média de Valores Encontrados em Análise 53
Tabela 14 – Margens Máximas para Cálculo de Gás Natural 66
Tabela 15 – Comparação de Custos entre Projetos 68
Tabela 16 – Base de Preços dos Custos dos Combustíveis e Energia Elétrica 69
Tabela 17 – Dados de Vazão do Biogás Gerado e Produção de Energia Elétrica 69
Tabela 18 – Potencial de Aquecimento Global 76
10
LISTA DE SIGLAS
ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária
AGV Ácidos Graxos Voláteis
AME Atividade Metanogênica Específica
CEE Comunidade Econômica Européia
CETESB Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental – São Paulo
CFR Federal Regulations Code (Código de Regulamentos Federais)
CNTP Condições Normais de Temperatura e Pressão
DQO Demanda bioquímica de oxigênio
DBO Demanda Biológica de oxigênio
DEHNR North Carolina Department of Environment, Helth and Natural Resources
DHEC Department of Health and Environmental Control – South Carolina
ETE Estação de tratamento de efluentes
EPA Environmental Protect Agency
GEE Gases do Efeito Estufa
MDL Mecanismos de Desenvolvimento Limpo
M.O. Matéria Orgânica
PCB Policlorados de Bifenilas
PCI Poder Calorífico Inferior
PCD Dioxinas
PCDF Furanos
PFRP Do inglês – Processos de Redução Adicional de Patógenos
PSRP Do inglês – Processos de Redução Significativas de Patógenos
RAC Relação ar combustível
SABESP Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo
ST Sólidos Totais
TOX Halogenados Orgânicos Absorvíveis
UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket
USEPA United States Environmental Protect Agency
11
LISTA DE SÍMBOLOS
C
EE
= Custo da Energia Elétrica (R$)
C
GLP
= Custo do gás liquefeito de petróleo (R$)
C
GN
= Custo do gás natural (R$)
C
P1
= Custo do Projeto 01 (R$)
C
P2
= Custo do Projeto 02 (R$)
C
P3
= Custo do Projeto 03 (R$)
C
P4
= Custo do Projeto 04 (R$)
d = densidade (kg/m
3
)
E
B-EE
= Equivalência biogás – energia elétrica (Item 6.4.2)
E
B-GLP
= Equivalência biogás – gás liquefeito de petróleo
E
B-GN
= Equivalência biogás – gás natural
m = massa (kg)
Q
BA
= Vazão do biogás gerado por ano (m
3
)
Q
BxGLP
= Vazão do biogás convertido em GLP (m
3
)
Q
BxGN
= Vazão do biogás convertido em GN (m
3
)
R
BxEE
= Receita do biogás comparado à redução no consumo de energia elétrica (R$)
R
BxGLP
= Receita do biogás comparado ao GLP (R$)
R
BxGN
= Receita do biogás comparado ao GN (R$)
v = volume (m
3
)
V
Biogás
= Volume biogás
V
BxEE
= Valor do biogás convertido em energia elétrica (kWh)
V
GLP
= Volume GLP
V
GN
= Volume Gás Natural
12
SUMÁRIO
1. Introdução 14
1.1. Processo de Fabricação da Cerveja 16
1.2. História da Cerveja 16
1.3. Fases de Produção de Cerveja 17
1.4. A Composição do Afluente do Processo de Fabricação de Cerveja 18
1.5. O Fluxograma de uma Estação de Tratamento de Efluentes de Cervejaria 19
2. Reatores Anaeróbios 20
2.1. Despejos Passíveis de Serem Tratados Por Via Anaeróbia 20
2.2. Características dos Processos Anaeróbios 21
2.3. Fundamentos da Digestão Anaeróbia 23
2.3.1. Microbiologia da Digestão Anaeróbia 25
2.3.2. Bioquímica da Digestão Anaeróbia 31
2.3.3. Ácidos Voláteis Intermediários 33
2.3.4. Aspectos Termodinâmicos 34
2.3.5. Formação de Metano 35
2.4. Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente (UASB) 37
2.4.1. Princípios do Processo 39
3. Lodo 41
3.1. Produção de Lodo nos Sistemas de Tratamento de Esgotos 42
3.2. Processamento do Lodo 45
4. Biogás 47
4.1. Características do Biogás 48
4.2. Cálculos para comparação dos gases em estudo 51
4.3. Utilização do Biogás em Motogeradores 52
5. Materiais e Métodos 52
6. Descrição de Projeto e Cálculo Financeiro 53
6.1. Projeto 1 - Aproveitamento do Biogás para Geração de Combustível para 53
Empilhadeiras
6.1.1. Descrição do Projeto 1 53
6.1.2. Potencialidade do Projeto 1 54
6.1.3. Materiais, Equipamentos e Montagem do Projeto 1 56
6.1.4. Despesas não Orçadas para Implantação do Projeto 1 57
6.1.5. Valor Estimado para o Projeto 1 – Purificação do Biogás em Condições 57
Automotivas
6.1.6. Valor Estimado para o de Transporte do Biogás da Estação de 58
Tratamento de Efluentes até PitStop – Projeto 1
6.1.7. Valor Total para o Projeto 1 58
6.2. Projeto 2 - Aproveitamento do Biogás para Queima em Turbinas de 59
Cogeração de Energia Elétrica e Térmica
6.2.1. - Descrição do Projeto 2 59
6.2.2. – Potencialidade do Projeto 2 59
6.2.3. – Materiais, Equipamentos e Montagem do Projeto 2 60
6.2.4. – Despesas não Orçadas para Implantação do Projeto 2 61
13
6.2.5. – Valor Estimado para o Projeto 2 61
6.2.6. – Valor Estimado para o Transporte do Biogás da Estação de 61
Tratamento de Efluentes até Turbinas – Projeto 2
6.2.7. – Valor Total para o Projeto 2 62
6.3. – Projeto 3 - Aproveitamento do Biogás para Queima como Combustível 62
para Caldeiras Geradoras de Vapor
6.3.1. - Descrição do Projeto 3 62
6.3.2. – Potencialidade do Projeto 3 62
6.3.3. – Materiais, Equipamentos e Montagem do Projeto 3 63
6.3.4. – Despesas não Orçadas para Implantação do Projeto 3 62
6.3.5. – Valor Estimado para o Projeto 3 63
6.3.6. – Valor Estimado para o Transporte do Biogás da Estação de 63
Tratamento de Efluentes até Caldeiras – Projeto 3
6.3.7. – Valor Total para o Projeto 3 63
6.4. – Projeto 4 – Aproveitamento do Biogás para Queima direta em Motogerador 64
6.4.1. – Descrição do Projeto 4 64
6.4.2. – Potencialidade do Projeto 4 65
6.4.3. – Materiais, Equipamentos e Montagem do Projeto 4 65
6.4.4. – Despesas não Orçadas para Implantação do Projeto 4 65
6.4.5. – Valor Estimado para o Projeto 4 66
6.4.6. – Valor Estimado para Transporte do Biogás até Motogerador 66
6.4.7. – Valor Total para o Projeto 4 66
7. Cálculos de Retorno Financeiro 67
7.1. - Custos para Cálculos de substituição do Gás Natural pelo Biogás 67
7.2. – Custos para Cálculo de Fornecimento de Energia Elétrica 68
7.3. – Comparação entre os Projetos 1, 2 e 3 e Análise de Viabilidade Econômica 68
7.4. - Retorno Financeiro 69
7.4.1. – Cálculos Projeto 01 70
7.4.2. – Cálculos Projeto 02 71
7.4.3. – Cálculos Projeto 03 73
7.4.4. – Cálculos Projeto 04 74
7.5. – Resumo dos Cálculos dos Projetos 75
8. Ganhos Ambientais 76
9. Conclusão 78
Referências Bibliográficas 79
14
1. INTRODUÇÃO
A sociedade tem um grande desafio de promover o desenvolvimento humano aliado à
preservação do ambiente, este desafio tem crescido gradativamente à medida que foram criados
projetos de construção para evolução de nossa espécie. Todo processo da evolução do ser
humano causou grandes modificações no ambiente natural e antes preservado em que vivíamos,
essa fase de acelerado crescimento e busca pelo sucesso no sistema capitalista, contribuiu para
alterações do meio, que são percebidas com as mudanças climáticas, aquecimento global, efeito
estufa, inversões térmicas, entre outras alterações ambientais que estão em evidência.
O século XIX significou o século da hegemonia mundial inglesa. Durante a maior parte
desse período o trono inglês foi ocupado pela rainha Vitória (1837-1901), recebendo a
denominação de era vitoriana. Foi a era do progresso econômico-tecnológico e, também, da
expansão colonialista, além das contínuas lutas e conquistas dos trabalhadores.
Na busca de novas áreas para colonizar, a Revolução Industrial produziu uma acirrada
disputa entre as potências, originando inúmeros conflitos e um crescente armamentismo que
culminariam na Primeira Guerra Mundial, iniciada em 1914.
A era do progresso
industrial possibilitou a transformação de todos os setores da vida
humana. O crescimento populacional e o acelerado êxodo rural determinaram o aparecimento das
grandes cidades industriais: Londres e Paris, que em 1880 já contavam, respectivamente, com 4 e
3 milhões de habitantes. Esses grandes aglomerados humanos originaram os mais variados
problemas de urbanização: abastecimento de água, canalização de esgotos, criação e
fornecimento de mercadorias, modernização de estradas, fornecimento de iluminação, fundação
de escolas, construção de habitações, etc.
Esta dissertação está baseada no reaproveitamento do biogás gerado em uma estação de
tratamento de efluentes de uma indústria cervejeira. A proposta será analisar as características do
biogás, composto principalmente por uma combinação de metano (CH
4
), dióxido de carbono e
(CO
2
), entre outros gases em menores quantidades, que integram um combustível muito rico em
energia, e desenvolver uma forma que possa aproveitá-lo da melhor forma possível, comparando
04 processos diferentes: a) utilização em alternativas aos combustíveis de empilhadeiras que
15
atualmente utilizam gás liquefeito de petróleo (GLP); b) promover a queima direta em uma
caldeira movida a gás natural; c) promover a queima em uma turbina movida a gás natural para
co-geração de energia elétrica e térmica; ou d) promover a queima direta em motogeradores de
energia elétrica.
Processos de decomposição de matéria orgânica, como no caso do sistema de tratamento de
efluentes da indústria cervejeira, laticínios, ou em um aterro sanitário com ou sem controle, ou
resíduos orgânicos de qualquer natureza, há potencial produção de biogás. A ausência de políticas
compromete o reuso desta enorme fonte de energia. O biogás quando emitido pela decomposição
da matéria orgânica, provoca grande poluição ao ar ambiente e efeito estufa, chegando a 21 vezes
maior seu teor de poluição quando comparado ao CO
2
(Ministério Meio Ambiente 2008) e em
determinadas concentrações seu potencial explosivo coloca em risco a vida circunvizinha.
Com o tratamento do gás para a geração de energia elétrica através de motogeradores,
turbinas, queima direta em caldeiras a gás ou reuso com combustível de empilhadeiras, pode-se
minimizar a emissão de gás carbônico para a atmosfera, enquanto se produz mais energia para
atender a crescente demanda. É extremamente importante ressaltar que a emissão de carbono
regulamentada pelo Protocolo de Quioto, no quesito dos Mecanismos de Desenvolvimento
Limpo (MDL), pode render cotas de emissões aos países que promoverem a reutilização destes
gases, as quais poderão ser trocadas por capital estrangeiro, conhecida como o mercado de
Crédito de Carbono, que devidamente aplicados poderiam assegurar melhoria na situação
econômica nacional.
O objetivo deste estudo é analisar o processo de geração e captação do biogás em uma
indústria cervejeira com a intenção de reuso para geração de energia, visto que, atualmente a
maioria das indústrias do ramo cervejeira, queima esse gás para atender demandas de legislação
ambiental. Essa dissertação visa também o desenvolvimento de processos com maior eficiência
para tornar a indústria com maior grau de auto-suficiência em geração energia. E realiza uma
análise técnica, econômica e ambiental dos sistemas propostos para reuso do biogás.
16
1.1. - O Processo de Fabricação de Cerveja
A cerveja é uma bebida obtida pela fermentação alcoólica do mosto de malte de cevada
em água potável por ação da levedura cervejeira, com adição de lúpulo ou seu extrato, podendo
parte do malte ser substituído por cereais malteados ou não, ou por carboidratos de origem
vegetal.
1.2. – História da Cerveja
A descoberta da cerveja ocorreu acidentalmente pelos Simérios no ano de 4.000 a.c., em
que a união de pão e água resultou em uma fermentação que degustada no dia seguinte resultou
na primeira bebida fermentada. Na seqüência em 3.000 a.c. os Assírios e Babilônios produziram
a primeira bebida e em 2.000 a.c. pelos Egípicios. Em 500 a.c. foi nomeada de Cerevisia
originada de uma bebida de Ceres, Deusa romana da fertilidade agrícola, atualmente denominada
cerveja. Em 300 d.c. a cerveja chegou à Europa Ocidental (Alemanha, França, Inglaterra e
Bélgica), já em 1.040 d.c. houve um grande contribuição do monges Beneditinos com a Adição
de Lúpulo (Planta que agrega amargor a Cerveja), contribuíram também com a produção em
série e a comercialização. Em 1.516 d.c. o Duque Guilherme IV da Bavaria-ALE, criou a Lei da
Pureza que regulava as matérias-primas utilizadas na fabricação de cerveja e também proibia a
adição de ervas prejudiciais à saúde. Em 1.836 as cervejas chegam ao Brasil com a marca
“Barbante”. Outras grandes contribuições para fabricação de cerveja foram desenvolvidas por:
Louis Pasteur que desenvolveu um processo de estabilização da proliferação microbiológica
denominado de Pasteurização; Emil Christian Hansen que desenvolveu a cultura pura da
Levedura (Bactéria responsável pela fermentação); e Carl Von Linde que desenvolveu o sistema
de baixa fermentação.
17
1.3 – Fases de Produção da Cerveja
Apresenta-se abaixo um fluxograma que descreve as principais fases do processo de produção de
cerveja.
1 – Cultivo da Cevada
Plantio
2 – Malteação
Processo de germinação e
inibição do crescimento da
cevada
3 – Armazenamento
Malte e Gritz de milho ou
arroz
4 – Moagem
Processo de moer o malte
5 – Preparação do
Mosto
Cozimento do malte e gritz
de milho
6 – Filtragem Inicial
Filtração do mosto em filtro
prensa ou cuba filtro
7 – Lupalagem
Adição do lúpulo
8 – Xarope de Maltose
Adição do Xarope de
Maltose
9 – Fervura
Caldeira de Fervura
10 – Decantador
Decantação do mosto
11 – Resfriador
Resfriamento do mosto
12 – Fermentação
Adição de Levedura para
processo de fermentação
13 – Maturação
Período de produção de CO
2
e estabilização da cerveja
14 – Filtragem Final
Filtração Final para diluição
e incorporação de CO
2
15 – Adega
Armazenamento de cerveja
pronta para envasar
16– Envasamento
Processo de enchimento da
cerveja nas embalagens
18
1.4. - A Composição do Afluente do Processo de Fabricação de Cerveja
A Qualidade e a Quantidade do efluente cervejeiro pode flutuar significativamente, tal
fator depende de vários processos diferentes que ocorrem dentro da cervejaria (manuseio de
matéria-prima, preparação mosto, fermentação, filtração, assepsia, envasamento, etc).
O afluente é basicamente de formação orgânica que são de forma geral facilmente
biodegradáveis, e consistem em açúcares, amido solúvel, etanol, ácidos voláteis, etc. O pH desta
solução de descarte tem características ácidas com resultado de pH em torno de 4,5, podendo
chegar a 11 nas situações de descarte de solução CIP (Cleaning in process). As estações de
tratamento de efluentes utilizam diversos produtos para correção deste descarte como: soda
cáustica, ácido fosfórico, ácido nítrico, etc. Com intuito de neutralizar o pH e deixá-lo em
condições ideais para iniciar o tratamento biológico, garantindo assim um boa eficiência em
remoção de carga orgânica e redução de odores na planta.
19
1.5. - O FLUXOGRAMA DE UM SISTEMA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES DE
UMA CERVEJARIA
Elevatória de Efluente
(Caixa Coletora)
4 Bombas / Qmáx = 600 m³/h
2 Peneiras Rotativas
Qmáx: 335 m³/h
2 Peneiras Rotativas
Qmáx: 250 m³/h
Tanque de Equalização 01
Vol.: 2200 m³
Tanque de Equalização 02
Vol.: 1650 m³
Tanque de Acidificação
Vol.: 1650 m³
Reator 01
Qmáx:210 m³/h
Vol.: 2000 m³
Reator 03
Qmáx: 250 m³
Vol.: 660 m³
Reator 02
Qmáx: 125 m³/h
Vol.: 965 m³
Decantador 01
(Estático)
Correção de PH
(Soda Cáustica)
Medidor de Vazão 01
Tanque de Lodo
Excedente
1 Centrífuga de Lodo
Caçambas de Lodo
Compostagem
Tanque de Oxidação
Vol.: 900 m³
Decantador 02
(Rotativo)
Medidor de Vazão 02
Rio Paraíba do Sul
Recirculação de Lodo
Lodo Excedente
Processo
Anaeróbio
Processo
Aeróbio
20
2. - REATORES ANAERÓBIOS
Os reatores anaeróbios são elaborados com tecnologia amplamente utilizada, devido à
simplicidade de funcionamento para efluentes com elevada carga orgânica. A investigação
científica sobre sistemas anaeróbios de tratamentos de esgotos, notadamente os reatores de manta
de lodo (UASB), permitiram ao sistema maior destaque, no Brasil e no mundo, devido
principalmente às condições de funcionamento (CUNHA e NETO, 2000). Este tipo de reator que
no início dos anos oitenta era de uso incipiente por possuir poucos adeptos, passou a ocupar
posição de destaque pela elevada aceitação agora verificada. Entretanto, há pesquisadores cujos
trabalhos trazem críticas severas aos processos anaeróbios de geração de gás. É oportuno lembrar
que parte das críticas advém de preconceitos ou conhecimento superficiais do processo de
geração anaeróbica de gás. (GRADY e LIM, 1980).
2.1 - Despejos Passíveis de Serem Tratados Por Via Anaeróbia
Em princípio, todos os compostos orgânicos podem ser degradados pela via anaeróbia,
sendo que o processo se mostra mais eficiente e mais econômico quando os dejetos são
facilmente biodegradáveis
.
Os digestores anaeróbios têm sido largamente aplicados para o tratamento de resíduos
sólidos, incluindo culturas agrícolas, dejetos de animais, lodos de estação de tratamento de
esgotos e lixo urbano, estima-se que milhões de digestores anaeróbios encontram-se em operação
hoje no mundo.
A digestão anaeróbia também tem sido muito aplicada para o tratamento de
efluentes de indústrias agrícolas, alimentícias e de bebidas, entre elas citam-se: abatedouros,
frigoríficos, produção de álcool, processamento de batatas, cervejarias, produção de amido,
processamento de café, curtumes, produção de fermento, processamento de frutas, laticínios,
produção de refrigerantes, processamento de peixes, produção de açúcar, produção de vinhos,
processamento de vegetais (GTZ
– TBW, 1997)
.
Em relação ao tratamento de esgotos domésticos tem-se verificado uma crescente
utilização da tecnologia anaeróbia (VON SPERLING, 1995),
notadamente através dos reatores
tipo UASB. Entretanto, esta tecnologia que depende da proliferação de bactérias anaeróbicas é
cessível a variações da temperatura da matéria prima e não se consegue produtividade para
21
valores abaixo de 20ºC. Os processos em que se usam partes do gás gerado para aquecer a
matéria prima não pode ser aplicado para o esgoto doméstico por ser este muito diluído.
O tratamento anaeróbio de esgotos domésticos torna-se bem mais atrativo para os países
de clima tropicais e subtropicais, que são principalmente os países em desenvolvimento.
Atualmente, diversas estações de tratamento anaeróbio já se encontram em operação no Brasil, no
México e na Colômbia, enquanto grandes estações encontram-se em construção na Indonésia,
Venezuela, Equador e Índia (GTZ–TBW, 1997).
2.2 – Características dos Processos Anaeróbios.
As diversas características favoráveis dos sistemas anaeróbios, passíveis de serem
operados com elevados tempos de retenção de sólidos e baixíssimos tempos de detenção
hidráulica, conferem aos mesmos um grande potencial para a aplicabilidade em tratamentos de
águas residuárias de baixa concentração. Estes equipamentos utilizam tecnologias simples, de
baixo custo, de fácil operação e manutenção sendo que suas principais vantagens e desvantagens
estão descritas na tabela 01.
Nos sistemas anaeróbios, ocorre somente cerca de 40 a 50% de degradação biológica, com
conseqüente conversão em CO
2
. Verifica-se uma enorme incorporação de matéria orgânica como
biomassa microbiana (cerca de 50 a 60%), que vem a se constituir o lodo excedente do sistema. O
material orgânico não convertido em gás carbônico ou em biomassa deixa o reator como material
não degradado (5 a 10%).
Nos sistemas anaeróbios, verifica-se que a maior parte do material orgânico biodegradável
presente é convertida em biogás (cerca de 70 a 90 %). Apenas uma pequena parcela do material
orgânico é convertida em biomassa microbiana (cerca de 5 a 15%), vindo a se constituir o lodo
excedente do sistema. O material não convertido em biogás ou em biomassa deixa o reator como
material não degradado (10 a 30%).
22
Tabela 01 – Vantagens e desvantagens dos processos anaeróbios.
Vantagens Desvantagens
- Baixa produção de sólidos, cerca de 5 a 10
vezes inferior à que ocorres nos processos
aeróbios;
- As bactérias são susceptíveis à inibição por
um grande número de compostos, podendo
comprometer a eficiência ou suspender as
atividades da planta;
- Redução de consumo de energia, usualmente
associada a uma elevatória de chegada;
- A partida do processo pode ser lenta na
ausência de lodo de semeadura adaptado;
- Necessita de uma área muito menor que
utilizada para implantação dos sistemas
aeróbios;
- Alguma forma de pós-tratamento é
usualmente necessária;
- Baixos custos de implantação, quando
comparados aos sistemas aeróbios;
- A bioquímica e a microbiologia da digestão
anaeróbia são complexas e precisam ser mais
estudadas;
- Produção de metano, um gás combustível de
elevado teor calorífico e com potencial de
reaproveitamento;
- Dificuldade de controlar a geração de maus
odores;
- Possibilidade de preservação da biomassa,
sem alimentação do reator, por
aproximadamente 8 meses;
- Possibilidade de geração de efluente com
aspecto desagradável;
- Tolerância a elevadas cargas orgânicas; - Remoção de nitrogênio, fósforo e
patogênicos insatisfatórias.
- Aplicabilidade em pequena e grande escala; - Processo dependente da temperatura do
lodo.
- Baixo consumo de nutrientes.
Fonte: Adaptado de (CHERNICARO e CAMPOS,1995); (VON SPERLING,1995), (LETTINGA et al.,1996).
Conforme mostrado na fig. 01, pode-se verificar que os efluentes tratados dos reatores
anaeróbios apresentam maior quantidade de materiais não degradados do que nos reatores
aeróbios, entretanto, os reatores anaeróbios são indicados como sistemas integrados de proteção
23
ambiental por serem eficazes no tratamento de esgotos e disponibilizarem para reuso seus
subprodutos (LETTINGA, 1995).
Figura 01 – Conversão biológica nos sistemas aeróbios e anaeróbios
Fonte: (CHERNICHARO, 1997).
O fato de o efluente tratado pelos reatores anaeróbios possuir mais material não degradado
que os efluentes dos reatores aeróbios pode ser compensado pelo baixo custo de implantação e
manutenção e pela geração de gás de alto poder calorífico. A utilização destes sistemas é indicada
principalmente para os países em desenvolvimento, que apresentam graves problemas
ambientais, falta de recursos, falta de energia e, baixa produção de alimentos (BARROS et al,
1995). Neste sentido a digestão anaeróbia apresenta-se como alternativa integrada de tratamento
de esgotos e de recuperação de subprodutos, conforme ilustrado na fig. 02.
2.3 – Fundamentos da Digestão Anaeróbia
No processo de conversão de matéria orgânica em condições de ausência de oxigênio são
utilizados aceptores de elétrons inorgânicos como o NO
3
-
(redução de nitrato), SO
4
2-
(redução de
sulfato), ou CO
2
(formação de metano). A formação de metano não ocorre em ambientes onde
oxigênio, nitrato ou sulfato encontram-se prontamente disponíveis como aceptores de elétrons. A
produção de metano ocorre em diferentes ambientes tais como pântanos, solo, sedimentos de rios,
REATOR AERÓBIO
REATOR
ANAERÓBIO
DQO
100%
Lodo (50% – 60%)
Efluente
(5% a 10%)
Material
Não
Degradado
CO
2
(40% a 50%)
DQO
100%
Lodo (5% a 15%)
Biogás (70% a 90%)
Efluente
(10% a 30%)
Material Não
Degradado
24
lagos e mares, assim como nos órgãos digestivos de animais ruminantes. Estima-se que a
digestão anaeróbia com formação de metano seja responsável pela completa mineralização de 5 a
10 % de toda a matéria orgânica disponível na terra (CHERNICHARO, 1997).
Figura 02 – Digestão anaeróbia como tecnologia de integrada de tratamento de esgotos e de recuperação
de subprodutos.
Fonte: (LETTINGA, 1995).
A digestão anaeróbia representa um sistema ecológico delicadamente balanceado, onde
cada microrganismo tem uma função essencial. As bactérias metanogênicas desempenham duas
funções primordiais: elas produzem um gás insolúvel (metano), possibilitando a remoção de
carbono orgânico do ambiente anaeróbio, e utilizando o hidrogênio, criando condições para que
as bactérias acidogênicas fermentem compostos orgânicos com a produção de ácido acético, que
é convertido em metano (SOUBES, 1994).
A digestão anaeróbia de compostos orgânicos complexos é normalmente considerada um
processo de dois estágios. No primeiro estágio, um grupo de bactérias facultativas e anaeróbias,
Tratamento
Anaeróbio
Digestão
Anaeróbia
Efluentes Líquidos
(doméstico e industrial)
Lodos Líquidos
(Lodo de ETE´s e
dejetos de animais)
Resíduos Sólidos
(Lixo urbano e
dejetos de animais)
Biomassas
Culturas agrícolas
Lodo Estabilizado
Condicionador
de solos
Geração de
Alimentos
Matéria
Prima
Efluente
Líquido
Sistemas de
Pós-
tratamento
Águas
Superficiais
e
Subterrâneas
Recuperação
de Enxofre
S
Lagoas de
peixes
Geração de Alimentos
Biogás
Geração de Energia
Irrigação
Direta
(fertili
zação)
Recuperação
de
Fertilizantes
(NH
4
e PO
4
)
25
denominadas formadoras de ácidos ou fermentativas, converte os orgânicos complexos em outros
compostos. Compostos orgânicos complexos como carboidratos, proteína e lipídios são
hidrolisados, fermentados e biologicamente convertidos em materiais orgânicos mais simples,
principalmente ácidos voláteis.
No segundo estágio ocorre a conversão dos ácidos orgânicos, gás carbônico e hidrogênio
em produtos finais gasosos, o metano e o gás carbônico. Esta conversão é efetuada em especial
por um grupo especial de bactérias, denominadas formadoras de metano, as quais são
estritamente anaeróbias. As bactérias metanogênicas dependem do substrato fornecido pelas
acidogênicas, configurando, portanto uma interação comensal. Uma vez que as bactérias
metanogênicas são responsáveis pela maior parte da degradação do resíduo, a sua baixa taxa de
crescimento e de utilização dos ácidos orgânicos normalmente representa o fator limitante no
processo de digestão como um todo.
2.3.1 - Microbiologia da Digestão Anaeróbia
A digestão anaeróbia pode ser considerada como um ecossistema onde diversos grupos de
microrganismos trabalham interativamente na conversão da matéria orgânica complexa em
metano, gás carbônico, água, gás sulfídrico e amônia, além de novas células bacterianas
(FORESTI, 1994).
Figura 03 – Esquema simplificado da digestão anaeróbia com os compostos resultantes.
Fonte: (CHERNICHARO,1997).
Os microrganismos que participam do processo de decomposição anaeróbia podem ser
divididos em três importantes grupos de bactérias, com comportamentos fisiológicos distintos:
- Bactérias fermentativas
- primeiro grupo formado por bactérias que transformam por
hidrólise, os polímeros em monômeros e estes em acetato, hidrogênio, dióxido de carbono, ácidos
orgânicos de cadeia curta, aminoácidos e outros produtos como glicose;
Matéria Orgânica
Bactérias Anaeróbias
CH
4
+ CO
2
+ H
2
S + H
2
O + NH
3
+ Novas Células
26
- Bactérias acetogênicas
- grupo formado por bactérias produtoras de hidrogênio, o qual
converte os produtos gerados pelo primeiro grupo (aminoácidos, açucares, ácidos orgânicos e
alcoóis) em acetato, hidrogênio e dióxido de carbono;
- Bactérias Metanogênicas
– Os produtos finais do segundo grupo são os substratos
essenciais para o terceiro grupo, que por sua vez constitui dois diferentes grupos de bactérias
metanogênicas. Um grupo usa o acetato, transformando-o em metano e dióxido de carbono,
enquanto o outro produz metano, através da redução de dióxido de carbono, conforme fig 04.
O processo de digestão anaeróbia é simplificadamente considerado de duas fases, mas este
pode ser dividido em quatro principais fases. A Hidrólise, Acidogênese, Acetogênese e
Metanogênese.
- Hidrólise:
Uma vez que as bactérias não são capazes de assimilar a matéria orgânica particulada, a
primeira fase no processo de degradação anaeróbia consiste na hidrólise de materiais particulados
complexos (polímeros), em materiais dissolvidos mais simples (moléculas menores), os quais
podem atravessar as paredes celulares das bactérias fermentativas. Esta conversão de materiais
particulados em materiais dissolvidos é conseguida através da ação de exoenzimas excretadas
pelas bactérias fermentativas hidrolíticas.
Na anaerobiose, a hidrólise dos polímeros usualmente ocorre de forma lenta, sendo vários
os fatores que podem afetar o grau e a taxa em que o substrato é hidrolisado (LETTINGA et al.,
1996):
- Temperatura operacional do reator;
- Tempo de residência do substrato no reator;
- Composição do substrato (ex: teores de lignina, carboidrato, proteína e gordura);
- Tamanho das partículas;
- pH do meio;
- Concentração de NH
4
+
-N;
- Concentração de produtos da hidrólise (ex: ácidos graxos voláteis).
27
Figura 04 – Seqüências metabólicas e grupos microbianos envolvidos na digestão anaeróbia.
Fonte:
(CHERNICHARO, 1997).
- Acidogênese:
Os produtos solúveis oriundos da fase de hidrólise são metabolizados no interior das
células das bactérias fermentativas, sendo convertidos em diversos compostos mais simples, os
quais são então excretados pelas células. Os compostos produzidos incluem ácidos voláteis,
alcoóis, ácido lático, gás carbônico, hidrogênio, amônia e sulfeto de hidrogênio, além de novas
células bacterianas. Como os ácidos graxos voláteis são o principal produto dos organismos
fermentativos, estes são usualmente designados de bactérias fermentativas acidogênicas
.
Orgânicos Complexos
(Carboidratos, Proteínas Lipídeos)
Orgânicos Simples
(Açucares, Aminoácidos, Peptídeos)
Bactérias Fermentativas
(Hidrólise)
Bactérias Fermentativas
(Acidogênese)
Ácidos Orgânicos
(Proprianato, Butirato, etc.)
Bactérias Metanogênicas (Metanogênese)
H
2
+ CO
2
Acetato
CH
4
+ CO
2
Bactérias Acetogênicas
(Acetogênese)
Bactérias acetogênicas produtoras de hidrogênio
Bactérias acetogênicas consumidas de hidrogênio
Metanogênicas hidrogenotróficas Metanogênicas acetoclásticas
28
A acidogênese é efetuada por um grande e diverso grupo de bactérias fermentativas, a
exemplo das espécies Clostridium e Bacteroids. A primeira constitui uma espécie anaeróbia que
forma esporos, podendo, dessa forma, sobreviver em ambientes totalmente adversos. As
Bacteroids encontram-se comumente presentes nos tratos digestivos, participando da degradação
de açucares e aminoácidos. A maioria das bactérias acidogênicas é anaeróbia estrita, mas cerca de
1% consiste de bactérias facultativas que podem oxidar o substrato orgânico por via oxidativa.
Isso é particularmente importante, uma vez que as bactérias anaeróbias estritas são protegidas
contra a exposição ao oxigênio eventualmente presente no meio (VAN HAANDEL e
LETTINGA, 1994).
- Acetogênese:
As bactérias acetogênicas são responsáveis pela oxidação dos produtos gerados na fase
acidogênica em substrato apropriado para as bactérias metanogênicas. Dessa forma, as bactérias
acetogênicas fazem parte de um grupo metabólico intermediário, que produz substrato para as
metanogênicas. Os produtos gerados pelas bactérias acetogênicas são o hidrogênio, o dióxido de
carbono, e o acetato.
Durante a formação do ácido acético e propiônico, uma grande quantidade de hidrogênio
é formada, fazendo com que o valor do pH no meio aquoso decresça (BARREDO, 1988). Há
porém duas maneiras pelas quais o hidrogênio é consumido no meio:
1 – através das bactérias metanogênicas, que utilizam hidrogênio e dióxido de carbono
para a produção de metano;
2 – Através da formação de ácidos orgânicos, tais como propiônico e butírico, ácidos estes
formados através da reação do hidrogênio com o dióxido de carbono e ácido acético.
De todos os produtos metabolizados pelas bactérias acidogênicas, apenas o hidrogênio e o
acetato podem ser utilizados diretamente pelas metanogênicas. Porém, pelo menos 50% da DQO
(Demanda Bioquímica de Oxigênio) biodegradável é convertida em proprionato e butirato, os
quais são posteriormente decompostos em acetato e hidrogênio pela ação das bactérias
acetogênicas.
29
- Metanogênese:
A etapa final no processo global de degradação anaeróbia de compostos orgânicos em
metano e dióxido de carbono é efetuada pelas bactérias metanogênicas (ORENLAND &
POLCIN, 1982). As metanogênicas utilizam somente um limitado número de substratos,
compreendendo ácido acético, hidrogênio/dióxido de carbono, ácido fórmico, metanol,
metilaminas e monóxido de carbono. Em função de sua afinidade por substrato e magnitude de
produção de metano, as metanogênicas são divididas em dois grupos principais, um que forma
metano a partir do ácido acético ou metanol, e o segundo que produz metano a partir de
hidrogênio e dióxido de carbono, como a seguir:
- Bactérias utilizadoras de acetato (acetoclásticas);
- Bactérias utilizadoras de hidrogênio (hidrogenotróficas);
Metanogênicas acetoclásticas
Embora apenas poucas espécies de metanogênicas sejam capazes de formar metano a
partir do acetato, estas são normalmente os microrganismos predominantes na digestão anaeróbia.
São responsáveis por cerca de 60 a 70% de toda a produção de metano, a partir do grupo metil do
ácido acético.
Pertencem a dois gêneros principais: Methanosarcina e Methanosaeta (Methanothrix). O
gênero Methanosaeta caracteriza-se por utilizar exclusivamente o acetato, tendo, por este, mais
afinidade que as metanosarcinas. Desenvolvem-se na forma de filamentos e têm grande
importância na formação da trama bacteriana contida nos grânulos. Os organismos pertencentes
ao gênero Methanosarcina se desenvolvem na forma de cocos, que se agrupam formando
“pacotes” (CHERNICHARO, 1997). São considerados os mais versáteis entre os metanogênicos,
já que possuem espécies capazes de utilizar também o hidrogênio e as metilaminas (SOUBES,
1994).
Metanogênicas hidrogenotróficas
Ao contrário das acetoclásticas, praticamente todas as espécies conhecidas de bactérias
metanogênicas são capazes de produzir metano a partir de hidrogênio e dióxido de carbono. Os
30
gêneros mais freqüentemente isolados em reatores anaeróbios são: Methanobacterium,
Methanospirillum e Mathanobrevibacter.
Tanto as bactérias metanogênicas acetoclásticas quanto as hidrogenotróficas são muito
importantes na manutenção do curso da digestão anaeróbia, uma vez que estas são responsáveis
pela função essencial de consumir o hidrogênio produzido nas fases anteriores. Com isto, é
propiciado a abaixamento da pressão parcial de hidrogênio no meio, tornando possível as reações
de produção das acidogênicas e acetogênicas.
Além das quatro fases anteriormente descritas, o processo de digestão anaeróbia pode
incluir ainda, uma quinta fase, dependendo da composição química do despejo a ser tratado.
Despejos que contenham compostos de enxofre são submetidos à fase de sulfetogênese, que
reduz o sulfato e formação de sulfetos (VISSER, 1995).
- Sulfetogênese:
A produção de sulfetos é um processo no qual o sulfato e outros compostos a base de
enxofre são utilizados como aceptores de elétrons durante a oxidação de compostos orgânicos.
Durante este processo, sulfato, sulfeto, sulfito e outros compostos sulfurados são reduzidos a
sulfeto, através da ação de um grupo de bactérias anaeróbias estritas, denominadas bactérias
redutoras de sulfato (ou bactérias sulforedutoras) (CHERNICHARO, 1997).
As bactérias sulforedutoras são consideradas um grupo muito versátil de microrganismos,
capazes de utilizar uma ampla gama de substratos, incluindo toda a cadeia de ácidos graxos
voláteis, diversos ácidos aromáticos, hidrogênio, metanol, etanol, glicerol, açucares, aminoácidos
e vários compostos fenólicos. As bactérias sulforedutoras dividem-se em dois grandes grupos
(VISSER, 1995; CHERNICHARO, 1997):
- Bactérias sulforedutoras que oxidam seus substratos de forma incompleta até o acetato.
A esse grupo pertencem os gêneros Desulfobulbus, Desulfomonas e a maioria das espécies dos
gêneros Desulfotomaculum e Desulfovibrio.
- Bactérias sulforedutoras que oxidam seus substratos completamente até o gás carbônico.
A esse grupo pertencem os gêneros Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfosarcina,
Desulfobacterium e Desulfonema.
31
Na ausência de sulfato, o processo de digestão anaeróbia ocorre de acordo com a fig. 04
(ORENLAND & POLCIN, 1982). Com a presença de sulfato numa água residuária, muitos
compostos intermediários, formados através das rotas identificadas na fig. 04, passam a ser
utilizados pelas bactérias sulforedutoras, provocando uma alteração nas rotas metabólicas no
digestor anaeróbio conforme demonstrado na Fig. 05. Dessa forma, as bactérias sulforedutoras
passam a competir com as bactérias fermentativas, acetogênicas e metanogênicas pelos substratos
disponíveis. A importância dessa competição bacteriana é maior quando ocorre o aumento na
concentração relativa de SO
4
2-
em relação à concentração de DQO.
2.3.2 - Bioquímica da Digestão Anaeróbia
No processo de digestão anaeróbia de compostos orgânicos existem diversos tipos de
bactérias metanogênicas e acidogênicas, sendo que o estabelecimento de um equilíbrio ecológico
entre os tipos e espécies de microrganismos anaeróbios é de importância fundamental para a
eficiência do sistema de tratamento. Para a avaliação desse equilíbrio ecológico utiliza-se com
freqüência o parâmetro Ácidos Graxos Voláteis (AGV) (CHERNICHARO, 1997).
Os ácidos graxos voláteis são formados, como produtos intermediários, durante a
degradação de carboidratos, proteínas e lipídeos. Os componentes mais importantes resultantes da
decomposição bioquímica da matéria orgânica são os ácidos voláteis de cadeia curta, como o
fórmico, acético, propriônico, butírico e, em menor quantidade o valérico e o isovalérico. Estes
ácidos graxos de baixo peso molecular são denominados ácidos voláteis porque podem ser
destilados à pressão atmosférica. Os ácidos voláteis representam compostos intermediários, a
partir dos quais a maior parte do metano é produzida, através da conversão pelas bactérias
metanogênicas.
32
Figura 05 – Seqüências metabólicas e grupos microbianos envolvidos na digestão anaeróbia, com redução de
sulfato.
Fonte: (CHERNICHARO, 1997).
Quando uma população de bactérias metanogênicas se encontra presente em quantidade
suficiente, e as condições ambientais no interior do sistema de tratamento são favoráveis, estas
utilizam os ácidos intermediários tão rapidamente quanto estes são formados. Como resultado, os
ácidos não se acumulam além da capacidade neutralizadora da alcalinidade naturalmente presente
no meio, o pH permanece numa faixa favorável às bactérias metanogênicas e o sistema anaeróbio
é considerado em equilíbrio. Entretanto, se as bactérias metanogênicas não estiverem presentes
em número suficiente, ou se estiverem expostas a condições ambientais desfavoráveis, estas não
Orgânicos Complexos
(Carboidratos, Proteínas, Lipídeos)
Orgânicos Simples
(Açucares, Aminoácidos, Peptídeos)
Ácidos Inorgânicos
(Proprionato, Butirato)
Bact
érias Fermentativas (Hidrólise)
Bactérias Fermentativas (Acidogênese)
Bactérias Acetogênicas (Acetogênese)
H
2
+ CO
2
Acetato
CH
4
+
Bactérias Acetogênicas produtoras de Hidrogênio
Bactérias Acetogênicas consumidoras de Hidrogênio
Bactérias Metanogênicas (Metanogênese)
H
2
S + O
2
Metanogênicas hidrogenotróficas
Metanogênicas
Acetoclásticas
Bactérias Redutoras de
Sulfato
Sulfetogênese
33
serão capazes de utilizar os ácidos voláteis na mesma taxa em que são produzidos pelas bactérias
acidogênicas, resultando numa acumulação de ácidos no sistema. Nestas condições, a
alcalinidade é consumida rapidamente e os ácidos livres, não neutralizados, provocam a queda do
pH. Esta reação é normalmente referenciada como Reator Azedo, e ainda que uma identificação
dos ácidos individuais presentes no reator com desequilíbrio das populações bacterianas poderá
indicar qual tipo de bactéria metanogênica não está cumprindo a sua parte no tratamento
(LETTINGA, 1995).
2.3.3 - Ácidos Voláteis Intermediários
Os mais importantes ácidos voláteis intermediários, precursores da formação do metano,
são o acético e o propriônico. Alguns dos vários degraus metabólicos envolvidos na degradação
de um substrato complexo, a exemplo do lodo excedente proveniente de uma estação de esgotos
domésticos, são mostrados na fig. 06. As porcentagens mostradas são baseadas na conversão da
DQO, sendo válidas apenas para a formação de metano a partir de substratos complexos, como o
lodo de ETE, ou outros de composição similar (CHERNICHARO, 1997).
Para a completa fermentação de compostos complexos em metano, cada grupo de
microrganismos tem uma função específica. Mesmo que a contribuição para o processo como um
todo seja pequena, ainda assim esta é necessária para a formação do produto final. O ácido
propiônico resulta principalmente da fermentação dos carboidratos e proteínas presentes, sendo
que cerca de 30% do composto orgânico é convertido neste ácido antes que possa ser finalmente
convertido em metano. O ácido acético é o ácido intermediário mais abundante, sendo formado
praticamente a partir de todos os compostos orgânicos. No caso da degradação de substratos
complexos, como o lodo de ETE, o ácido acético é precursor de cerca de 72% do metano
formado e, juntamente com o ácido propiônico cerca de 85% da produção total de metano. Uma
grande proporção dos 15% restantes é resultante da degradação de outros ácidos, como o fórmico
e o butírico.
34
Figura 06 – Rotas de Formação de Metano a partir da fermentação de substratos complexos
Fontes: (CHERNICHARO, 1997, MCCARTY & SPEECE, 1964).
2.3.4 - Aspectos Termodinâmicos
Algumas das reações de conversão dos produtos das bactérias fermentativas em acetato e
dióxido de carbono são ilustradas na tab. 02. A última coluna do quadro fornece a variação de
energia livre padrão (pH igual a 7 e pressão de 1 atm), considerando a temperatura de 25ºC e o
líquido como sendo água pura. Todos os compostos presentes na solução apresentam uma
atividade de 1 mol/kg (CHERNICHARO, 1997).
De acordo com os exemplos apresentados na tabela 02, é possível perceber claramente
que o propionato, o butirato e o etanol (reações 1, 2 e 3) não são degradados nas condições
padrão assumidas, uma vez que os aspectos termodinâmicos são desfavoráveis (
∆G
0
> 0
)
.
Todavia,
as reações podem se deslocar para a direita (lado dos produtos), caso a concentração de
hidrogênio seja baixa. Na prática, isso é conseguido pela remoção contínua de H
2
do meio,
através de reações aceptoras de elétrons, como por exemplo, as reações 5, 6 e 7 da tabela 02.
Composto Orgânico Complexo
Ácido Acético
CH
4
Ácido Propiônico
DQO 100%
15% 65%
20%
15%
17% 35%
72%
13% 15%
Outros Intermediários
35
Tabela 02 – Algumas reações de oxiredução importantes na digestão anaeróbia.
Nº
Reações de Oxidação (doadoras de elétrons)
∆
∆∆
∆G
0
(kJ/mol)
1
Propionato ⇒ Acetato CH
3
CH
2
COO
-
+ 3H
2
O ⇒ CH
3
COO
-
+ HCO
3
-
+ H
+
+ 3H
2
+ 76,1
2
Butirato ⇒ Acetato CH
3
CH
2
CH
2
COO
-
+ 2H
2
O ⇒ 2CH
3
COO
-
+ H
+
+ 2H
2
+ 48,1
3
Etanol ⇒ Acetato CH
3
CH
2
OH + H
2
O ⇒ CH
3
COO
-
+ H
+
+ 2H
2
+ 9,6
4
Lactato ⇒ Acetato CH
3
CHOHCOO
-
+ 2H
2
O ⇒ CH
3
COO
-
+ HCO
3
-
+ H
+
+ 2H
2
-4,2
Nº
Reações de Redução (aceptoras de elétrons)
∆
∆∆
∆G
0
(kJ/mol)
5
Bicarbonato ⇒ Acetato
2HCO
3
-
+ 4H
2
+ H
+
⇒ CH
3
COO
-
+ 4H
2
O
- 104,6
6
Bicarbonato ⇒ Metano
HCO
3
-
+ 4H
2
+ H
+
⇒ CH
4
+ 3H
2
O
-135,6
7
Sulfato ⇒ Sulfeto SO
4
2-
+ 4H
2
+ H
+
⇒ HS
-
+4H
2
O
-151,9
Fonte: (FORESTI, 1994; LETTINGA et al, 1996).
Num digestor metanogênico, operando de forma apropriada a pressão parcial de H
2
não
excede a 10
-4
atm. Nestas condições de baixa pressão parcial de hidrogênio, passa a ocorrer então
a degradação de propionato, butirato e etanol, liberando energia livre para o meio. Estas baixas
pressões parciais só podem ser mantidas se o hidrogênio formado for rapidamente e efetivamente
removido pelas bactérias consumidoras de hidrogênio (LETTINGA et al, 1996).
2.3.5 - Formação de Metano
Embora as rotas individuais envolvidas na formação do metano ainda não estejam
completamente estabelecidas, houve muito progresso nas últimas décadas em direção a esse
entendimento. Algumas espécies de bactérias metanogênicas são capazes de utilizar somente o
hidrogênio e o gás carbônico para seu crescimento e formação de metano, enquanto outras são
capazes de utilizar o ácido fórmico, o qual é antes convertido em hidrogênio e gás carbônico.
Pelo menos duas espécies de Methanosarcina são capazes de formar metano a partir de metanol
ou ácido acético (CHERNICARO, 1997).
Existem dois mecanismos básicos de formação do metano: 1) pela clivagem do ácido
acético; e 2) pela redução do gás carbônico. Estes mecanismos são descritos a seguir:
1) Na ausência de hidrogênio, a clivagem do ácido acético conduz à formação de metano
e gás carbônico. O grupo metil do ácido acético é reduzido a metano, enquanto o
grupo carboxílico é oxidado a gás carbônico:
36
C
*H
3
COOH ⇒
⇒⇒
⇒ C*H
4
+ CO
2
Grupo bacteriano envolvido = metanogênicas acetoclásticas;
2) Quando o hidrogênio se encontra disponível, a maior parte do metano restante é
formada a partir da redução do gás carbônico. O CO
2
atua como um aceptor de átomos
de hidrogênio removidos dos compostos orgânicos pelas enzimas. Uma vez que o gás
carbônico encontra-se sempre presente em excesso em um reator anaeróbio, sua
redução de metano não é o fator limitante do processo. O mecanismo de formação do
metano a partir da redução do dióxido de carbono é como a seguir, conforme Novaes
(1986):
CO
2
+ 4H
2
⇒
⇒⇒
⇒ CH
4
+ 2H
2
O
Grupo bacteriano envolvido = metanogênicas hidrogenotróficas.
A composição global do biogás produzido durante a digestão anaeróbia varia de acordo
com as condições ambientais presentes no reator. Essa composição muda rapidamente durante o
período inicial de partida do sistema e também quando o processo de digestão é inibido. Para
reatores operando de maneira estável, a composição do biogás produzido é razoavelmente
uniforme. Entretanto, a proporção de gás carbônico em relação ao metano pode variar
substancialmente, dependendo das características do composto orgânico a ser degradado. No
processo de digestão de esgotos domésticos as proporções típicas de metano e dióxido de carbono
no biogás são: CH
4
: 70 a 80%; CO
2
: 30 a 20%. (CHERNICHARO, 1997).
O metano produzido no processo de digestão anaeróbia é rapidamente separado da fase
líquida, devido a sua baixa solubilidade em água, resultando num elevado grau de degradação dos
despejos líquidos, uma vez que este gás deixa o reator com a fase gasosa. O dióxido de carbono,
ao contrário, é bem mais solúvel em água que o metano, saindo do reator parcialmente como gás
dissolvido no efluente líquido (ZENDER et al, 1982).
37
2.4. - Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente (UASB).
O reator de manta de lodo foi inicialmente desenvolvido e aplicado largamente na
Holanda. Essencialmente, o processo consiste de um fluxo ascendente de esgotos através de um
leito de lodo denso e de elevada atividade. O perfil de sólidos no reator varia de muito denso e
com partículas granulares de elevada capacidade de sedimentação, próximas ao fundo (leito do
lodo), até um lodo mais disperso e leve, próximo ao topo do reator (manta de lodo)
(CHERNICHARO, 1997).
A estabilização da matéria orgânica ocorre em todas as zonas de reação (leito e manta de
lodo), sendo a mistura do sistema promovida pelo fluxo ascensional do esgoto e das bolhas de
gás. O afluente entra pelo fundo e o efluente deixa o reator através de um decantador interno
localizado na parte superior do reator. Um dispositivo de separação de gases e sólidos localizados
abaixo do decantador garante as condições ótimas para a sedimentação das partículas que se
desgarram da manta de lodo, permitindo que estas retornem à câmara de digestão, ao invés de
serem arrastados para fora do sistema. Embora parte das partículas mais leves seja perdida
juntamente com o efluente, o tempo médio de resistência de sólidos no reator é mantido
suficientemente elevado para manter o crescimento de uma massa densa de microrganismos
formadores de metano, apesar de reduzido tempo de detenção hidráulica (CAMPOS e DIAS,
1989).
Um dos princípios fundamentais do processo é a sua habilidade em desenvolver uma
biomassa de elevada atividade. Esta biomassa pode se apresentar na forma de flocos ou grânulos
(1 a 5 mm de tamanho). O cultivo de um lodo anaeróbio de boa qualidade é conseguido através
de um processo cuidadoso de partida do sistema, durante o qual a seleção artificial da biomassa é
imposta, permitindo que o lodo mais leve, de má qualidade, seja arrastado para fora do sistema,
ao mesmo tempo em que o lodo de boa qualidade é retido. O lodo mais pesado normalmente se
desenvolve junto ao fundo do reator e apresenta uma concentração de sólidos totais da ordem de
40 a 100 g de sólidos totais para cada litro de amostra (40 a 100gST/L). Normalmente, não se
utiliza qualquer dispositivo mecânico de mistura, uma vez que estes parecem ter um efeito
adverso na agregação do lodo e conseqüentemente na formação de grânulos.
O segundo princípio fundamental do processo é a presença de um dispositivo de
separação de gases e sólidos localizados na parte superiores do reator. O principal objetivo deste
38
dispositivo é a separação dos gases contidos na mistura líquida, de tal forma que zona propícia à
sedimentação seja criada no extremo superior do reator (LETTINGA et al, 1984).
O projeto de reatores de manta de lodo é bastante simples e não demanda a implantação
de qualquer equipamento sofisticado ou de meios de suporte para a retenção de biomassa. O
processo foi desenvolvido inicialmente para o tratamento de esgotos concentrados, onde os
resultados, tanto em nível de escala piloto quanto escala plena são muito bons. Entretanto, da
mesma forma que em outros processos anaeróbios, os reatores de manta de lodo têm sido
aplicados também para o tratamento de esgotos de baixa concentração, com resultados bastante
promissores (CHERNICHARO, 1997).
Figura 07 – Esquemas de Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente e Manta de Lodo.
Fonte: Universidade Federal da Campina Grande-PB
2.4.1 - Princípios do Processo
O processo de tratamento anaeróbio de efluentes com reatores que possuem manta de
lodo, procede-se inicialmente com a inoculação do reator com quantidades suficientes de lodo
anaeróbio, iniciando-se em seguida a sua alimentação em baixa taxa no modo ascendente
(CAMPOS e DIAS, 1989). Este período inicial é referido como start up ou partida do sistema,
constituindo-se na fase mais importante da operação do reator. A taxa de alimentação do reator
deve ser aumentada progressivamente, de acordo com o sucesso da resposta do sistema,
ocorrendo, após alguns meses de operação, o desenvolvimento de um leito de lodo bastante
39
concentrado (4% a 10%, ou seja, em torno de 40.000 a 100.000 mgST/L) junto ao fundo do
reator. O lodo é muito denso e com excelentes características de sedimentação. Pode ocorrer o
desenvolvimento de grânulos de lodo (diâmetros de 1 a 5 mm), dependendo da natureza do lodo
de semeadura, das características das águas residuárias e das condições operacionais do reator.
Acima do leito de lodo desenvolve-se em uma zona de crescimento bacteriano mais
disperso, denominada manta de lodo, em que os sólidos apresentam velocidades de sedimentação
mais baixas. A concentração de lodo nessa zona usualmente varia entre 1,5 a 3 %. O sistema é
auto-misturado pelo movimento ascendente das bolhas do biogás e do fluxo de esgotos através do
reator. Durante a partida do sistema, quando a produção de biogás é usualmente baixa, pode-se
tornar necessária alguma forma de mistura adicional, como por exemplo, através da recirculação
do gás ou do efluente. A remoção do substrato ocorre através de todo o leito e manta do lodo,
embora esta seja mais pronunciada no leito de lodo (CARVALHO,1994).
Com o movimento ascendente das bolhas de gás, ocorre o carreamento de lodo, sendo
necessária a instalação de um separador trifásico (gases, sólidos e líquidos) na parte superior do
reator, de forma a permitir retenção e o retorno do lodo. No entorno e acima do separador
trifásico configura-se uma câmara de sedimentação, onde o lodo mais pesado é removido da
massa líquida e retornado ao compartimento de digestão, enquanto as partículas mais leves são
perdidas do sistema juntamente com o efluente final.
A instalação do separador de gases sólidos e líquidos é que garante o retorno do lodo e a
elevada capacidade de retenção de grandes quantidades de biomassa, de elevada atividade, sem a
necessidade de qualquer tipo de meio de suporte. Como resultado, os reatores UASB apresentam
elevados tempos de resistência celular (idade do lodo), bastante superiores aos tempos de
detenção hidráulica, o que é uma característica dos sistemas anaeróbios de alta taxa
de conversão.
As idades de lodo verificadas em reatores UASB são usualmente superiores a 30 dias,
propiciando que o lodo excedente descartado do sistema já se encontre estabilizado
(CHERNICHARO, 1997).
40
Figura 08 – Desenho esquemático do reator anaeróbio UASB.
Fonte: (CHERNICHARO, 1997).
O reator de manta de lodo é capaz de suportar altas taxas de carga orgânica e a grande
diferença, quando comparado com outros reatores da mesma geração, é a simplicidade
construtiva e os baixos custos operacionais (CAMPOS et al, 1986). São os seguintes princípios
mais importantes que governam a operação de um reator de manta de lodo:
a) As características do fluxo ascendente devem assegurar o máximo contato entre a
biomassa e o substrato;
b) Os curto-circuitos devem ser evitados, de forma a garantir tempo suficiente para a
degradação da matéria orgânica;
c) O sistema deve ter um dispositivo bem projetado, capaz de separar de forma adequada
o biogás, o líquido e os sólidos, liberando os dois primeiros e permitindo a retenção do
ultimo (separador trifásico);
d) O lodo na região de manta deve ser bem adaptado, com alta atividade metanogênica
específica (AME) e excelente sedimentabilidade. O lodo, se possível, deverá ser
granulado, uma vez que este tipo de lodo apresenta características bem melhores que
as do lodo floculento.
Bolhas de Gás
Partículas de Lodo
Entrada Efluente
Coleta Efluente
Tratado
Compartimento
de decantação
Abertura para o
decantador
Defletor de gases
Separador
trifásico
Manta de
Lodo
Leito de Lodo
Saída de Biogás
Compartimento
de
Digestão
41
3. LODO
O termo Lodo tem sido utilizado para designar os subprodutos sólidos no tratamento de
esgotos (VON SPERLING, et al, 2001). Nos processos biológicos de tratamento, parte da matéria
orgânica é absorvida e convertida, fazendo parte da biomassa microbiana, denominada
genericamente de lodo biológico ou secundário, composto principalmente de sólidos biológicos, e
por essa razão também denominados de biossólido, o termo deve ser utilizado, somente, se as
características químicas e biológicas do lodo sejam compatíveis com uma forma de produtiva de
utilização, como, por exemplo, na agricultura (ANDREOLI et al, 2001). O termo “biossólido” é
uma forma de ressaltar os seus aspectos benéficos, valorizando a utilização produtiva, em
comparação com a mera disposição final improdutiva, por meio de aterros, disposição superficial
no solo, incineração, ou mesmo a falta de gerenciamento do subproduto.
O gerenciamento do lodo de esgoto proveniente de estações de tratamento é uma atividade
de grande complexidade e alto custo, que, se for mal executada, pode comprometer os benefícios
ambientais e sanitários esperados destes sistemas, já que os contaminantes removidos dos
efluentes podem voltar ao meio devida falta de gestão (VON SPERLING, 1996). A importância
da prática foi reconhecida pela Agenda 21, item do protocolo de Quioto, o qual o Brasil é
signatário, que inclui o tema “Manejo ambientalmente saudável dos resíduos sólidos e questões
relacionadas com esgotos”, definindo as seguintes orientações para a sua gestão: a redução da
produção, o aumento máximo da reutilização e da reciclagem e a promoção de depósitos
ambientalmente saudáveis. (ANDREOLI, et al, 2001).
As exigências da sociedade e das agências ambientais por melhores padrões de qualidade
ambiental tem se refletido nos gestores de públicos ou privados dos serviços de saneamento
(GONÇALVES, 1998). Devido aos baixos índices de tratamento de esgotos ainda verificados no
Brasil, há uma perspectiva de um aumento significativo no número de estações de tratamento de
esgotos, em decorrência, da produção de lodo. Em alguns estados, os órgãos ambientais passaram
a exigir a definição técnica da disposição final de lodo nos processos de licenciamento. Estes
aspectos demonstram que a gestão de biossólidos é um problema crescente no Brasil, com uma
tendência de um rápido agravamento nos próximos anos. Hoje no país a situação só pode ser
estimada.
42
3.1 - Produção de Lodo nos Sistemas de Tratamento de Esgotos
De maneira geral, são os seguintes subprodutos sólidos gerados no tratamento de esgotos:
material agregado; areia; espuma; lodo primário; lodo secundário; lodo químico (se houver a
etapa físico-química). O tratamento de subprodutos sólidos gerados nas diversas unidades é uma
etapa essencial do tratamento dos esgotos. Ainda que o lodo possa na maior parte das etapas do
seu manuseio ser constituído de mais de 95% de água, apenas por convenção é designado por
fase sólida, visando distingui-lo do fluxo do líquido sendo tratado, a fase líquida (AISSE et al,
1999).
Ao se planejar o gerenciamento do lodo, os seguintes aspectos necessitam ser levados em
consideração e quantificados:
- Produção de Lodo na fase líquida;
- Descarte de Lodo na fase líquida;
- Descarte de Lodo na fase sólida.
A produção do lodo a ser gerado é função precípua do sistema de tratamento utilizado
para a fase líquida (ANDREOLI, et al, 2001). Em qualquer tipo de tratamento de biológico irá
haver a produção de lodo. Os processos recebem o esgoto bruto em seus decantadores primários,
e daí o lodo primário é gerado, composto pelos sólidos sedimentáveis do esgoto bruto. Na etapa
biológica do tratamento, tem-se o lodo denominado biológico ou lodo secundário, que é a própria
biomassa que cresceu ás custas do alimento fornecido pelo afluente. Caso a biomassa não seja
removida, ela tende a se acumular no sistema, podendo eventualmente sair com o efluente final,
deteriorando sua qualidade em termos de sólidos em suspensão e matéria orgânica (VON
SPERLING, 1996).
É possível, dependendo do tipo de sistema, que o lodo primário pode ser enviado para o
tratamento juntamente com o lodo secundário, e sendo assim, como denominação para essa
mistura, o lodo misto. Em sistemas de tratamento que envolve a etapa físico-química, visando
melhorar o desempenho do decantador primário, a qualidade do efluente secundário,
(ANDREOLI, et al, 2001).
43
Em todos estes casos, é necessário o descarte do lodo, ou seja, sua retirada da fase líquida.
No entanto, nem todos os sistemas de tratamento de esgotos necessitam do descarte contínuo de
biomassa. Alguns sistemas de tratamento conseguem armazenar o lodo por todo o horizonte de
operação da estação, como por exemplo, as lagoas facultativas, outros sistemas permitem um
descarte apenas eventual, como os reatores anaeróbios, e por último, existem os casos em que o
lodo requer uma retirada contínua ou bastante freqüente (Lodos Ativados). O lodo biológico
descartado também é denominado lodo excedente (LUDUVICE, 1992).
Todos os processos de tratamento são iniciados pelo tratamento preliminar, onde há,
necessariamente, a geração de material gradeado e areia, iniciando o processo de subprodutos do
tratamento. A espuma é variável de processo para processo, podendo ou não ocorrer
sistematicamente. O lodo primário só é gerado na etapa de tratamento primário, onde há a
decantação primária. O lodo secundário é gerado em todos os processos de tratamento biológico.
O tipo de lodo varia, distinguindo-se em aeróbios (estabilizados), aeróbios (não estabilizados). A
seguir é apresentada uma descrição resumida dos principais tipos de subprodutos sólidos gerados
no tratamento de esgotos (VON SPERLING et al, 2001 e METCALF e EDDY 1991).
- Sólidos Grosseiros – originados na Grade. São os sólidos removidos no gradeamento.
Incluem todos os sólidos, orgânicos e inorgânicos, com dimensões superiores ao espaço
livre entre grades. O material orgânico varia em função das características do sistema de
esgotamento e da época do ano. A remoção pode ser manual ou mecânica;
- Areia – originados no Desarenador.
A areia usualmente compreende os sólidos
inorgânicos mais pesados, que sedimentam com velocidades relativamente elevadas. A
areia é removida em unidades denominadas desarenadores, que são decantadores com um
baixo tempo de detenção hidráulica, suficiente apenas para a sedimentação da areia. No
entanto, dependendo das condições de operação, podem ser removidos também matéria
orgânica e óleos e graxas;
- Escuma – originada no Desarenador e Decantador primário
.
A escuma removida nos
decantadores primários consiste de materiais flutuantes raspados da superfície, contendo
graxa, óleos vegetais e minerais, gordura animal, sabões, papel, algodão, resíduos de
comida, cascas de vegetais e frutas, cabelo, pontas de cigarro e materiais similares. O
peso específico da escuma é inferior a 1,0 e geralmente em torno de 0,95. Os
desarenadores normalmente não possuem equipamentos para a remoção da escuma. No
tratamento secundário, os reatores biológicos também produzem escuma, contando em
sua composição com a presença de bactérias que se desenvolvem em condições
ambientais específicas. Esta escuma é usualmente removida nos decantadores secundários
44
por raspagem da superfície. Lagoas de estabilização e reatores anaeróbios podem também
apresentar escuma;
- Lodo Primário – originada pelos tanques séptidos e decantador primário. Os sólidos
removidos por sedimentação nos decantadores primários constituem o lodo primário. O
lodo primário pode exalar um forte odor, principalmente se ficar retido um tempo elevado
nos decantadores primários, em condições de elevada temperatura. O lodo primário
removido em tanques sépticos permanece um tempo elevado o suficiente para
proporcionar sua digestão anaeróbia;
- Lodo Biológico Aeróbio (não estabilizado) – originado pelos lodos ativados
convencionais; reatores aeróbios com biofilmes – alta carga (filtro biológico de alta carga,
biofiltros aerados submersos e biodiscos). O lodo biológico excedente (lodo secundário)
compreende a biomassa de microrganismos aeróbios gerada às custas da remoção da
matéria orgânica (alimento) dos esgotos. Esta biomassa está em constante crescimento,
em virtude da entrada contínua de matéria orgânica nos reatores biológicos. Para manter o
sistema em equilíbrio, aproximadamente a mesma massa de sólidos biológicos gerada
deve ser removida do sistema. Caso o tempo de permanência dos sólidos no sistema seja
baixo e haja satisfatória disponibilidade de alimento, os sólidos biológicos conterão
maiores teores de matéria orgânica em sua composição celular. Estes sólidos não se
encontram estabilizados (degeridos), necessitando de uma etapa, posterior, de digestão.
Caso contrário, haveria emanação de maus odores pelo lodo durante seu tratamento e
disposição final, através da decomposição anaeróbia da matéria orgânica em condições
não controladas;
- Lodo Biológico Aeróbio (estabilizado) – originado pelos
Lodos Ativados – aeração
prolongada e nos
Reatores aeróbios com filmes – baixa carga (filtro biológico de baixa
carga, biodisco, biofiltro aerado).
Este lodo biológico é também predominantemente
constituído por microrganismos aeróbios que crescem e se multiplicam às custas da
matéria orgânica dos esgotos brutos. No entanto, nos sistemas de baixa carga, a
disponibilidade de alimento é menor, e a biomassa fica retida mais tempo no sistema,
predominando assim as condições de respiração endógena. Em decorrência, a biomassa
utiliza as próprias reservas de matéria orgânica de composição do protoplasma celular,
resultando em um lodo com menor teor de matéria orgânica (lodo digerido) maior teor de
sólidos inorgânicos. Este lodo não requer uma etapa de digestão posterior;
- Lodo Biológico Anaeróbio (estabilizado) – originários pelas Lagoas de estabilização
facultativas, lagoas anaeróbias facultativas, lagoas aeradas de mistura completa, lagoas de
decantação e
Reatores anaeróbios (Reatores UASB, filtros anaeróbios).
Nos reatores
anaeróbios e no lodo de lagoas de estabilização predominam condições anaeróbias. A
biomassa anaeróbia também cresce e se multiplica às custas da matéria orgânica. Nestes
processos de tratamento, usualmente a biomassa fica retida um longo tempo, no qual
ocorre a digestão anaeróbia do próprio material celular. Nas lagoas de estabilização, o
45
lodo é constituído ainda de sólidos de esgoto bruto sedimentados, bem como algas
mortas. Este lodo não requer uma etapa de digestão posterior;
- Lodo Químico – originado pelo decantador primário com a precipitação química e lodos
ativados com precipitação química de fósforo.
Este lodo é usualmente resultante da
precipitação química com sais metálicos com cal. A preocupação com odores é menor que
com o lodo primário, embora estes possam ocorrer (somente no caso de uso de cal como
coagulante). A taxa de decomposição do lodo químico nos tanques é menor que a do lodo
primário.
3.2 - Processamento do Lodo
O lodo de um sistema de tratamento de esgoto necessita de acompanhamento e controle
em todas as fases, para que todo o sistema de tratamento de efluentes seja eficiente. Na tabela 03
são demonstradas a etapas de gerenciamento do lodo e seus objetivos.
Tabela 03 – Principais etapas do gerenciamento do lodo.
Etapa Descrição
Adensamento
Remoção de umidade (redução de volume)
Estabilização
Redução de matéria orgânica (redução de sólidos voláteis)
Condicionamento
Preparação para a desidratação (principalmente mecânica)
Desaguamento
Remoção de umidade (redução de volume)
Higienização
Remoção de organismos patogênicos
Disposição Final
Destinação final dos subprodutos
Fonte: (VON SPERLING, 2001).
A incorporação de cada uma das etapas do processamento do lodo depende das
características do lodo tratado, ou seja, do sistema de tratamento utilizado para a fase líquida,
bem como da etapa de tratamento do lodo subseqüente e da disposição final (GONÇALVES e
PASSAMANI 2000).
O adensamento ou espessamento é um processo físico de concentração de sólidos no lodo
visando reduzir sua umidade e, em decorrência, seu volume, facilitando as etapas subseqüentes
de tratamento do lodo.
A estabilização visa atenuar o inconveniente de maus odores no tratamento e manuseio do
lodo. A redução dos odores é alcançada através da remoção da matéria orgânica biodegradável
presente no lodo.
46
O condicionamento é um processo de preparação do lodo, através da adição de produtos
químicos (coagulantes, polieletrólitos) para aumentar sua aptidão ao desaguamento e melhorar a
captura de sólidos nos sistemas de desidratação do lodo.
A desidratação ou desaguamento do lodo é a próxima fase do processo, que pode ser
realizada por métodos naturais e mecânicos. O objetivo desta fase é remover a água e reduzir
ainda mais o volume, produzindo lodo com o comportamento mecânico próximo ao dos sólidos.
A desidratação do lodo tem impacto importante nos custos de transporte e destinação final, além
de influenciar de maneira decisiva o manuseio do lodo, já que o comportamento mecânico deste
varia com o teor de umidade (VON SPERLING, et al, 2001).
A desinfecção ou higienização do lodo é uma operação necessária se seu destino for a
reciclagem agrícola, já que os processos de digestão anaeróbia e aeróbia geralmente empregados
não reduzem o nível de patógenos a patamares aceitáveis.Para a incineração ou disposição do
lodo em aterro, a higienização não é necessária (FERNANDES, 2000).
Dentro de cada etapa do processo, há variantes, as quais são listadas na tab. 04, sendo elas
as mais utilizadas no meio. Os sistemas de tratamento de lodo possibilitam diversas combinações
de operações e processos unitários, compondo distintas seqüências, em função das características
do lodo, dos processos de tratamento de efluentes utilizados e dos métodos de disposição final do
lodo empregado.
Tabela 04 – Etapas do gerenciamento de lodo e principais processos utilizados
Adensamento Estabilização Condicionamento
Desidratação Higienização Disposição
Final
- Adensamento
por gravidade;
- Flotação;
- Centrífuga;
- Filtro prensa de
esteiras.
- Digestão
anaeróbia;
- Digestão
aeróbia;
- Tratamento
térmico;
- Estabilização
química.
- Condiciona/to
químico;
- Condiciona/to
térmico.
- Leitos de
secagem;
- Lagoas de
lodo;
- Filtro prensa;
- Centrífuga;
Filtro prensa de
esteiras;
-Filtro a vácuo;
- Secagem
térmica.
- Adição de cal
(caleação);
- Tratamento
térmico;
- Compostagem;
- Oxidação
úmida;
- Outros
(exemplo:
radiação gama,
solarização)
- Reciclagem
agrícola;
- Recuperação de
áreas degradadas;
- Landfarming
(disposição no
solo);
- Uso não
agrícola
(febricação de
lajotas,
combustível)
- Incineração;
- Oxidação
úmida;
Aterro sanitário.
Fonte: (VON SPERLING, et al, 2001).
47
4. BIOGÁS
“Tudo leva a crer que o gás dos pântanos foi descoberto por Shirley em 1667. No entanto,
foi só um século mais tarde que foi reconhecida a presença de metano no gás dos pântanos. Já no
século XIX, Ulysse Gayon, aluno de Louis Pasteur, realizou a fermentação anaeróbia de uma
mistura de estrume e água, a 35ºC, conseguindo obter 100 litros de gás por m³ de matéria. Em
1884, Louis Pasteur, ao apresentar à Academia das Ciências os trabalhos do seu aluno,
considerou que esta fermentação podia constituir uma fonte de aquecimento e iluminação”
(CLASSEN et al, 1999).
Na Índia, a idéia de aproveitar o gás metano produzido por digestão anaeróbia, já não era
estranha em 1859, quando numa colônia de leprosos, em Bombaim, se realizou a primeira
experiência de utilização direta de biogás. Cerca de 30 anos depois, em 1895, teve lugar a
primeira experiência européia, com a utilização do biogás para iluminação de algumas ruas da
cidade na Inglaterra. A partir desta, surgiram outras experiências, motivadas principalmente pelo
entusiasmo inicial que este processo atingiu. Apesar disso, este combustível não conseguiu
emplacar como o substituto dos tradicionais.
Como tal, a exploração do biogás tem sido bastante reduzida, limitando-se a ser utilizado
em alguns casos esporádicos. Foi apenas nos anos 40, devido a carências energéticas
significativas, provocadas pela II Guerra Mundial, que o biogás voltou a ser utilizado, quer na
cozinha e no aquecimento das casas, quer para alimentação de motores de combustão interna
(COSTA, 2006).
Nas décadas de 50 e 60, a relativa abundância das fontes de energia tradicionais,
desencorajou a recuperação do biogás na maioria dos países desenvolvidos, e apenas em países
com poucos recursos de capital e energia, como a Índia e a China, o biogás desempenhou um
papel de certa importância, sobretudo em pequenos aglomerados rurais.
A partir da crise energética dos anos 70, o gás metano dos digestores anaeróbios voltou a
despertar o interesse geral conduzindo a um aumento da sua produção nos países europeus.
48
4.1 Características do Biogás
O Biogás é uma mistura gasosa resultante da degradação anaeróbia da matéria orgânica
dos resíduos sólidos depositados em aterros sanitários e dos efluentes industriais e esgotos
domésticos, sendo formado principalmente por metano e dióxido de carbono, em média em partes
iguais. Quanto maior a formação de metano, mais energia por unidade de massa o biogás contém.
Há ainda dezenas de substâncias, como o gás sulfídrico causador de mau cheiro, traços de
siloxinas, que reduzem a vida útil dos equipamentos de uso energético, e vapor d´água
(GOLDEMBERG, 2006).
O biogás um gás incolor, geralmente inodoro (se não contiver demasiadas impurezas) e
insolúvel em água. A composição média da mistura gasosa que forma o biogás é mostrada na
tabela 05.
Tabela 05 – Composição média biogás
Composto Porcentagem na Mistura Gasosa (%)
Metano (CH
4
) 50 a 75
Dióxido de Carbono (CO
2
) 25 a 40
Hidrogênio (H
2
) 1 a 3
Azoto (N
2
) 0.5 a 2.5
Oxigênio (O
2
) 0.1 a 1
Gás Sulfírico (H
2
S) 0.1 a 0.5
Amoníaco (NH
3
) 0.1 a 0.5
Monóxido de Carbono (CO) 0 a 0.1
Água (H
2
O) Variável
Fonte: Adaptado (ZACHOW, 2000).
Devido à presença do metano, o Biogás é um gás combustível, sendo o seu poder
calorífico inferior (P.C.I.) cerca de 5500 kcal/m³, quando a proporção em metano é
aproximadamente de 60%, A tabela 06 mostra a variação do poder calorífico do biogás em
relação à composição, e a título de comparação, a tabela 07 que segue apresenta os P.C.I.s para
outros gases correntes.
49
Tabela 06 – Variação do poder calorífico em relação à composição do biogás
Composição Química Biogás Peso Específico
(kg/Nm
3
)
P. C. I.
(kcal/kg)
10% CH
4
, 90% CO
2
1,8393 465,43
40% CH
4
, 60% CO
2
1,4643 2.338,52
60% CH
4
, 40% CO
2
1,2143 4.229,98
65% CH
4
, 35% CO
2
1,1518 4.831,14
75% CH
4
, 25% CO
2
1,0268 6.253,01
95% CH
4
, 05% CO
2
0,7768 10.469,60
99% CH
4
, 01% CO
2
0,7268 11.661,02
Fonte: (AVELLAR, 2001).
Tabela 07 – Comparação PCI biogás com outros gases.
Gás P.C.I. (kcal/Nm³)
Metano 8500
Propano 22000
Butano 28000
Gás de Coqueria 4400
Gás de Cidade 4000
Gás Natural 8554
Biogás 5500
Fonte: Adaptado de ALVES, 2000 e ZACHOW, 2000.
O biogás é um gás leve e de fraca densidade. Mais leve do que o ar, contrariamente ao
butano e ao propano, ele suscita menores riscos de explosão na medida em que a sua acumulação
se torna mais difícil. A sua fraca densidade implica, em contrapartida, que ele ocupe um volume
significativo e que a sua liquefação seja mais difícil, o que lhe confere algumas desvantagens em
termos de transporte e utilização.
O biogás gerado pela indústria cervejeira possui como valor mais conservativo o poder
calorífico inferior na ordem de 20 MJ/Nm
3
, considerando assim que possui cerca de 60% de
metano na composição total do gás (ETHERIDGE, 2003).
O biogás, em condições normais de produção, devido ao seu baixo teor de monóxido de
carbono (inferior a 0,1%) não é tóxico, contrariamente, por exemplo, ao gás de cidade que é o gás
50
levado por tubulação aos consumidores, a partir de uma usina, podendo se constituir de gás
manufaturado e gás natural usado para enriquecimento
,
cujo teor de CO neste gás, próximo dos
20%, é mortal.
Por outro lado, devido às impurezas que contém, o biometano é muito corrosivo. O gás
mais corrosivo desta mistura é o sulfureto de hidrogênio que ataca, além de outros materiais, o
cobre, o latão, e o aço, desde que a sua concentração seja considerável. Quando o teor deste gás é
fraco, é sobretudo o cobre que se torna mais sensível. Para teores elevados, da ordem de 1%
(excepcionais nas condições normais de produção do biogás) torna-se tóxico e mortal. A presença
do sulfureto de hidrogênio pode constituir um problema a partir do momento em que haja uma
combustão do gás e que sejam inalados os produtos desta combustão, dado que a formação do
dióxido de enxofre (SO
2
) é extremamente nocivo, causando, nomeadamente, perturbações a nível
pulmonar.
O amoníaco, sempre em concentrações muito fracas, pode ser corrosivo para o cobre,
sendo os óxidos de azoto libertados durante a sua combustão, igualmente tóxicos. Os outros gases
contidos no biogás, não suscitam problemas em termos de toxicidade ou nocividade. O gás
carbônico, em proporção significativa (35%), ocupa um volume perfeitamente dispensável e
obriga, quando não suprimido, a um aumento das capacidades de armazenamento. O vapor de
água pode ser corrosivo para as canalizações, depois de condensado. A tab. 08 demonstra a
equivalência energética entre o biogás e outros combustíveis utilizados no dia a dia.
Tabela 08 – Equivalência energética biogás
1 m³ de biogás = 5500 kcal, é equivalente a:
1,7 m³ de metano 0,25 m³ de propano
0,8 l de gasolina 1,3 l de álcool
2 kg de carboneto de cálcio 0,7 l de gasóleo
6,5 kw/h de eletricidade 2,7 kg de madeira
1,4 kg de carvão de madeira 0,2 m³ de butano
Fonte: Adaptado de (ZACHOW, 2000).
51
Tabela 09 – Densidade dos gases em estudo
Gás Densidade (kg/m
3
)
Condições de Temperatura e
Pressão
Biogás 1,20 T = 20 ºC e P = atm
Gás Natural 0,60 T = 20 ºC e P = atm
Gás Liquefeito de Petróleo 2,10 T = 15 ºC e P = atm
Fonte: Adaptado de CALDAS, 2006 e COMGAS (2008).
Tabela 10 – Poder Calorífico dos gases em estudo
Gás Poder Calorífico (kcal/unidade)
Biogás (m
3
) 5.500
Gás Natural (m
3
) 9.400
Gás Liquefeito de Petróleo (kg) 11.800
Fonte: Adaptado de CTGÁS Centro de Tecnologias do Gás (2008) e COMGAS (2008).
4.2 Cálculos para comparação dos gases em estudo
Para obter um número de correlação entre os gases em estudo, foi considerado a massa de
1 quilograma e as densidades citadas na tabela 09, aplicada na fórmula da densidade:
Fórmula densidade:
d = m ou v = m
v d
V
Biogás
= 1 / 1,20 = 0,833 m
3
V
GLP
= 1 / 2,10 = 0,476 m
3
V
GN
= 1 / 0,60 = 1,666 m
3
Onde,
d = densidade (kg/m
3
)
m = massa (kg)
v = volume (m
3
)
V
Biogás
= Volume biogás
V
GLP
= Volume GLP
V
GN
= Volume Gás Natural
52
Como o poder calorífico do GLP é 11.800 kcal/kg e para 1 kg de GLP, tem-se o volume
de 0,476 m
3
, será considerado a relação de 5.616,8 kcal/m
3
de GLP.
Ao fazer a comparação dos gases, tem-se que para obter o poder calorífico de 1 m
3
de
GLP equivale a 0,98 m
3
de Biogás e que 1 m
3
de Gás Natural equivale a 0,58 m
3
de Biogás.
Tabela 11 – Relação dos volumes dos gases e poder calorífico comparados ao biogás
Gás Poder Calorífico (kcal/m
3
)
Relação dos gases em
função do biogás
Biogás (m
3
) 5.500 1
Gás Natural (m
3
) 9.400 0,58
Gás Liquefeito de Petróleo (m
3
) 5.616,8 0,98
4.3 Utilização do biogás em motogeradores
O biogás pode ser utilizado nas condições em que é gerado, e dependendo da aplicação,
pode ser necessária a redução da concentração de H
2
S, CO
2
, redução da umidade ou mesmo à
elevação da pressão. O uso do biogás em motores exige que a redução na concentração de
compostos, redução de umidade e principalmente elevação da pressão. A relação entre massa e
volume de metano (CH
4
) puro é de 0,6 kg/m
3
(COSTA, 2006). Energeticamente o biogás
purificado corresponde ao Gás Natural Combustível (GNC), sendo que seu poder calorífico é
menor quanto maior for a proporção de contaminantes na mistura que o compõe. Em média o
poder calorífico é igual a 5.500 kcal/m
3
(biogás com 60% CH
4
, 40% CO
2
), o que corresponde a
um litro de óleo Diesel (ALVES,2000).
As características do biogás mudam de acordo com sua composição, com isso a
composição dos gases de exaustão é conseqüência da composição do combustível e também das
condições de uso do mesmo. Levando em conta sua composição média e a realização da
combustão em presença de ar atmosférico, poderão existir nos fumos da combustão SO
X
, NO
X
,
CO, entre outros poluentes. Para garantir a emissão de poluentes dentro de especificações a
purificação do biogás deve ser feita para corrigir as propriedades naturais e também para que o
gás atenda as especificações técnicas dos equipamentos de conversão, no caso os motogeradores.
53
5. MATERIAIS E MÉTODOS
Com os dados iniciais fornecidos pelo sistema de gestão integrado da empresa e com o
levantamento de informações relevantes ao processo de secagem do lodo com a utilização do
biogás em bibliografia reconhecida, a viabilidade do estudo no caso da indústria foi verificada a
partir do cálculo da energia necessária para que se consiga desaguar o lodo.
Os volumes de biogás e lodo provenientes do tratamento de efluentes devem ser
conhecidos para o cálculo da energia necessária a secagem do lodo e a energia contida no biogás.
De acordo com o sistema de gestão, na indústria analisada os volumes de biogás gerados,
respectivamente, nos anos de 2004, 2005, 2006 e 2007 foram 1.228.781 m
3
, 1.392.015 m
3
,
1.139.004 m
3
e 1.319.786 m
3
, conforme expresso na Tabela 12. Atualmente o volume é
equivalente a 90.000 m
3
por mês. O biogás ora produzido nos biodigestores da empresa é enviado
aos queimadores, com o propósito de queimá-lo na presença do ar atmosférico para proteger o
meio ambiente e assim evitar a emissão de um gás de efeito estufa com poder de aquecimento
maior que o gás carbônico.
Para o outro subproduto, o lodo, as produções oriundas dos biodigestores, nos anos de
2004, 2005, 2006 e 2007 foram respectivamente; 1.112,46 t, 1.260,81 t, 935,70 t e 908,42 t,
conforme mostrado na Tabela 12. Atualmente na cervejaria estudada é gerado em média o
volume de 80 t/mês de lodo a ser encaminhado para a empresa terceira que realiza o tratamento
adequado do resíduo pelo método de compostagem. O lodo antes de ser enviado para a sua
destinação final é armazenado nos tanques de lodo e depois enviado para centrífugas que o
deságua até o teor de umidade ficar em 78%.
Tabela 12 – Volume de Biogás e Lodo Gerado
Ano
Biogás (*1000m
3
/ano)
Lodo (toneladas /ano)
2004 1.228,78 1.112,46
2005 1.392,01 1.260,81
2006 1.139,00 935,70
2007 1.319,78 908,42
Fonte: Relatórios de Monitoramento da Cervejaria
Para a verificação, o biogás da indústria foi analisado em um laboratório especializado em
análises de biogás na UNESP (Universidade Paulista), campus de Jaboticabal-SP. Cinco amostras
de cada reator anaeróbio, alimentado com o efluente da indústria cervejeira, foram retiradas na
saída dos respectivos gasômetros a uma temperatura ambiente de 22,2°C. Três amostras de cada
54
reator foram validadas, pois apresentaram resultados muito semelhantes, perfazendo um total de
seis amostras do biogás gerado pela cervejeira.
As amostras do biogás foram retiradas entre 8 e 9 horas da manhã e analisadas entre 14 e
16 horas do mesmo dia, utilizando-se a saída para amostras dos gasômetros para a amostragem
com seringas herméticas de polipropileno, 20mL de volume, com vácuo. O gás amostrado foi
injetado diretamente das seringas no aparelho. As determinações dos teores de metano (CH
4
),
Oxigênio (O
2
), Nitrogênio (N
2
) e dióxido de carbono (CO
2
) foram feitas utilizando-se um
cromatógrafo de fase gasosa, da marca FINNINGAN, modelo GC 9001 (coluna Poropack Q, com
hidrogênio como gás de arraste). A calibração do equipamento foi feita com gás padrão fornecido
pela empresa White Martins, a qual apresentava composição de 55,4% de CH
4
, 35,1% de CO
2
,
7,7% de N
2
e 2,1% de O
2
. Os percentuais dos componentes foram determinados com auxílio de
um integrador processador DATA JET SP4600.
A tabela 13 mostra a média dos valores encontrados nas análises das amostras do biogás
da indústria cervejeira. O resultado apresentado pelas análises do biogás gerado pela cervejeira
demonstra o teor de metano em torno de 84%.
Tabela 13 – Média dos valores encontrados nas análises
Reator Parâmetro Analisado Resultado (% em massa)
Dióxido de Carbono (CO2) 15,207
Oxigênio (O2) 0,026
Nitrogênio (N2) 0,586
Média Reatores 1 e 2
Metano (CH4) 84,18
O biogás gerado por cervejeiras, em pesquisas realizadas na Europa, possui metano em
torno de 60% na sua composição (ETHERIDGE, 2003). Em aterros sanitários no Brasil, o teor de
metano no biogás se dá em torno de 50% em média, e de acordo com a Ficha de Informação de
Produto Químico (FISPQ) da Petrobrás para o Gás Natural, o teor de metano na composição deve
ser de no mínimo 68%. O biogás gerado na cervejeira analisada possui 84% em média de metano
na sua composição total, um valor mais elevado para que considerada viável a geração de energia
elétrica, já que nos aterros sanitários existem inúmeros projetos em funcionamento para a geração
de energia com biogás. A geração de energia nobre ainda pode ser somada ao fato de poder
utilizar a energia térmica produzida nos geradores.
55
6. DESCRIÇÕES DE PROJETOS E CALCULO DE INVESTIMENTOS
6.1 – Projeto 1 - Aproveitamento do Biogás para Geração de Combustível para
Empilhadeiras
6.1.1 - Descrição do Projeto 1
Este processo permite a obtenção de Metano de uso automotivo, de acordo com as normas
EUROPÉIAS (CH
4
≥ 97%; CO
2
≤ 2%).
Fases características do processo (patente brasileira e européia):
- pré-dessulfurização;
- pressurização em média pressão;
- stripping com água sob pressão;
- desoleação e eliminação de hidrocarbonetos superiores;
- depuração e desidratação final (processo PSA em peneiras moleculares)
- compressão em alta pressão (20 MPa para a adequada estocagem)
O processo é completamente automatizado com instrumentação específica (analisadores,
pressostatos, controladores de níveis, etc) ligada a um painel de controle centralizado, de forma a
monitorar continuamente todos os parâmetros das seqüências de operação por meio de
microprocessadores lógicos programáveis.
Dispositivos especiais de segurança integrado ao quadro elétrico asseguram:
- Sinal de Pré-Alarme e Bloqueio da unidade em caso de presença de oxigênio acima dos valores
de segurança;
- Eliminação com descarga acompanhada de alarme de Biometano com características não
compatíveis com as especificações de pureza exigidas.
- Sistema para a Exclusão Automática de Compressores e Bombas e Ajuste Automático dos
Ciclos de Concentração e Secagem conforme a vazão de Biogás disponível.
56
6.1.2 - Potencialidade do Projeto 1
Balanço de Massa:
O projeto conforme o processo descrito no item 9.1.1, considerou os seguintes dados e resultados:
a) Biogás Bruto: (Informado) b) Biogás Após a Lavagem
Vazão 400 m
3
/h
Pressão 0,0004 MPa
Temperatura 35°C
Composição média: CH
4
80 %
CO
2
17 %
N
2
< 2,3 %
O
2
< 0,2 %
H
2
S < 500 ppm
H
2
O 100%UR
Vazão ~345 m
3
/h
Pressão 0,7 MPa
Temperatura ~25°C
Composição média: CH
4
>96 %
CO
2
0,4 %
N
2
~ 3,4 %
O
2
~ 0,2 %
H
2
S < 50 ppm
H
2
O PO – 60ºC
c) Custo operacional estimado:
Energia elétrica: 180 kWh
Homem/Hora (técnico): 720 horas/mês
Água: 0,2 m
3
/h
Manutenção: R$ 3.000,00 /mês
d) Benefícios:
GNV disponibilizado: 330 m
3
/h
Carbono seqüestrado: ~40.000 ton/ano
6.1.3 – Materiais, Equipamentos e Montagem do Projeto 1
Materiais e equipamentos para montagem do Projeto 1: - Resfriador (chiller) com
trocador de calor (água gelada/biogás) e filtros de proteção; - Compressores de média pressão; -
Pós-resfriador e separador de condensados; - Coluna de absorção; - Separador de água; - Filtro
purificador; - Bombas de água; - Torre de expulsão de CO
2
;- Concentrador final (PSA); -
Reservatório de gás puro a média pressão; - Compressor final (200 bar); - Analisadores CH
4
- O
2
- CO
2;
- Quadro elétrico e de comando.
57
Pré-montagem em fábrica especializada e montagem final na área de instalação nos
limites compreendidos no esquema processo de purificação de biogás. Projeto e execução em
conformidade com as normas técnicas e ambientais.
Instrumentação completa de toda a unidade (termômetros, manômetros, medidores de
vazão e fluxo, indicadores e controles de níveis, atuadores pneumáticos, pressostatos e
termostatos, etc) nos limites indicados no esquema de processo. Materiais e acessórios
hidráulicos e mecânicos. Todas as válvulas, tubulações, conexões, suportes, necessários à
instalação conforme esquema de processo e desenhos de lay-out. Materiais acessórios de
instalação elétrica.
6.1.4 – Despesas Não Orçadas para Implantação do Projeto 1
Não foram orçados neste projeto: - Eventuais sistemas de proteção ambiental de emissões;
-Terraplanagem; - Iluminação; - Fluidos substituíveis (óleo, água, aditivos, etc); -Meios de
transporte horizontais ou verticais de materiais; - Análises de materiais não previstos no
fornecimento; - Despesas de transporte e hospedagem de técnicos; -Todos os demais não
especificamente citados no escopo de fornecimento.
6.1.5 – Valor Estimado para o Projeto 1 de Purificação do Biogás em Condições
Automotivas
Para a planta apresentada considera-se valor para investimento de R$ 2.600.000,00 (dois
milhões e seiscentos mil reais impostos inclusos). Variação para mais ou para menos de 15%.
58
6.1.6 – Valor Estimado para o de Transporte do Biogás da Estação de Tratamento de
Efluentes até PitStop – Projeto 1
a) Distancia entre áreas: 1035 metros.
b) Diâmetro da tubulação: 4”
c) Material utilizado na tubulação: Polietileno de Alta Densidade (PEAD)
d) Outros Equipamentos: Purgadores de Condensado
e) Valor Estimado para Transporte Biogás: R$ 345.000,00 (Trezentos e quarenta cinco mil reais)
f) Valor Estimado para Construção Civil: R$ 500.000,00 (Quinhentos mil reais)
g) Valor orçado de Manutenção Anual: R$ 36.000,00 (Trinta e seis mil reais)
h) Somatória dos valores deste item: R$ 881.000,00 (Oitocentos e oitenta e um mil reais).
6.1.7 – Valor Total para o Projeto 1
Soma dos itens 6.1.5 e 6.1.6
Valor Total: R$ 3.481.000,00 (Três milhões quatrocentos e oitenta e um mil reais).
Figura 09 – Foto Empilhadeira movida à GLP.
Fonte: Foto obtida na indústria em estudo no dia 15/10/2008.
59
6.2 – Projeto 2 - Aproveitamento do Biogás para Queima em Turbinas de Cogeração de
Energia Elétrica e Térmica
6.2.1 - Descrição do Projeto 2
Este processo permite a obtenção de Biogás com elevado teor de Metano e tecnicamente
livre de H
2
S, sendo, portanto adequado para queima em caldeiras ou geração de energia elétrica
em grupo geradores de combustão interna.
Fases características do processo:
- pré-dessulfurização;
- pressurização em média pressão;
- stripping com água sob pressão;
- desoleação e eliminação de hidrocarbonetos superiores;
O processo é completamente automatizado com instrumentação específica (analisadores,
pressostatos, controladores de níveis, etc) ligada a um painel de controle centralizado, de forma a
monitorar continuamente todos os parâmetros das seqüências de operação por meio de
microprocessadores lógicos programáveis.
Dispositivos especiais de segurança integrado ao quadro elétrico asseguram:
- Sinal de Pré-Alarme e Bloqueio da unidade em caso de presença de oxigênio acima dos valores
de segurança;
- Eliminação com descarga acompanhada de alarme de Biometano com características não
compatíveis com as especificações de pureza exigidas.
- Sistema para a exclusão automática de compressores e bombas e ajuste automático dos ciclos de
concentração e secagem conforme a vazão de Biogás disponível.
6.2.2 - Potencialidade do Projeto 2
Balanço de Massa:
O projeto conforme o processo descrito no item 6.2.1, considerou os seguintes dados e resultados:
60
a) Biogás Bruto: (Informado) b) Biogás Após a Lavagem
Vazão 400 m
3
/h
Pressão 0,0004 MPa
Temperatura 35°C
Composição média: CH
4
80 %
CO
2
17 %
N
2
< 2,3 %
O
2
< 0,2 %
H
2
S < 500 ppm
H
2
O 100%UR
Vazão ~345 m
3
/h
Pressão 0,7 MPa
Temperatura ~25°C
Composição média: CH
4
92,6 %
CO
2
3,9 %
N
2
~ 3,2 %
O
2
~ 0,2 %
H
2
S < 50 ppm
H
2
O 100%UR
c) Custo operacional estimado:
Energia elétrica: 112 KWh
Homem/Hora (técnico): 720 horas/mês
Água: 0,2 m
3
/h
Manutenção: R$ 2.000,00 /mês
d) Benefícios:
Energia elétrica gerada: 1MWh
Carbono seqüestrado: ~40.000 ton/ano
6.2.3 – Materiais, Equipamentos e Montagem do Projeto 2
Materiais e equipamentos utilizados no projeto 2: - Resfriador (chiller) com trocador de
calor (água gelada/biogás) e filtros de proteção; - Compressores de média pressão; - Pós-
resfriador e separador de condensados; - Coluna de absorção; - Separador de água; - Filtro
purificador; - Bombas de água; - Torre de expulsão de CO
2
; - Reservatório de gás puro a média
pressão; - Analisadores CH
4
- O
2
- CO
2;
- Quadro elétrico e de comando.
Pré-montagem em fábrica especializada e montagem final na área de instalação nos
limites compreendidos no Esquema Processo de Purificação de Biogás. Projeto e execução em
conformidade com as normas técnicas e ambientais.
61
Instrumentação completa de toda a unidade (termômetros, manômetros, medidores de
vazão e fluxo, indicadores e controles de níveis, atuadores pneumáticos, pressostatos e
termostatos, etc) nos limites indicados no esquema de processo. Materiais e acessórios
hidráulicos e mecânicos. Todas as válvulas, tubulações, conexões, suportes, necessários à
instalação conforme esquema de processo e desenhos de lay-out. Materiais acessórios de
instalação elétrica.
6.2.4 – Despesas Não Orçadas para Implantação do Projeto 2
Entre as despesas não orçadas no Projeto 2 estão: - Eventuais sistemas de proteção
ambiental de emissões; - Terraplanagem; - Iluminação; - Fluidos substituíveis (óleo, água,
aditivos etc); - Meios de transporte horizontais ou verticais de materiais; - Análises de materiais
não previstos no fornecimento; - Despesas de transporte e hospedagem de técnicos.
6.2.5 – Valor Estimado para o Projeto 2 - Purificação do Biogás para Queima em Turbinas
de Cogeração de Energia Elétrica e Térmica
Para a planta apresentada considera-se valor para investimento de R$ 1.700.000,00 (um
milhão e setecentos mil reais). Variação para mais ou para menos de 15%.
6.2.6 – Valor Estimado para o Transporte do Biogás da Estação de Tratamento de
Efluentes até Turbinas – Projeto 2
a) Distância entre áreas: 290 metros.
b) Diâmetro da tubulação: 4”.
c) Material utilizado na tubulação: Polietileno de alta Densidade (PEAD).
d) Outros Equipamentos: Purgadores de Condensado.
e) Valor Estimado Transporte do Biogás: R$ 150.000,00 (Cento e cinqüenta mil reais)
f) Valor Estimado de Construção Civil: R$ 500.000,00 (Quinhentos mil reais)
g) Valor Orçado de Manutenção Anual: R$ 24.000,00 (Vinte e quatro mil reais)
h) Somatório de valores deste item: R$ 686.000,00 (Seiscentos e oitenta e seis mil reais)
62
6.2.7 – Valor Total para o Projeto 2
Soma dos itens 6.2.5 e 6.2.6.
Valor Total: R$ 2.386.000,00 (Dois milhões trezentos e oitenta e seis mil reais)
Figura 10 – Foto da Caldeira para Geração de Vapor movida à Gás Natural
Fonte: Foto obtida na indústria em estudo no dia 15/10/2008.
6.3 – Projeto 3 - Aproveitamento do Biogás na Queima como Combustível
Para
Caldeira
Geradora
de
Vapor
6.3.1 - Descrição do Projeto 3
Idem a Descrição do Processo do item 6.2.1.
6.3.2 - Potencialidade do Projeto 3
Idem a Potencialidade do Projeto Proposto do item 6.2.2.
63
6.3.3 – Materiais, Equipamentos e Montagem do Projeto 3
Idem aos Materiais e Equipamentos do item 6.2.3.
6.3.4 – Despesas Não Orçadas para Implantação do Projeto 3
Idem as Despesas Não Orçadas para Implantação do Projeto 2 item 6.2.4.
6.3.5 – Valor Estimado para o Projeto 3 de Purificação do Biogás para Queima em
Caldeiras a Vapor
Para a planta apresentada considera-se valor para investimento de R$ 1.700.000,00 (um milhão e
setecentos mil reais). Variação para mais ou para menos de 15%.
6.3.6 – Valor Estimado para o Transporte do Biogás da Estação de Tratamento de
Efluentes até Caldeiras a Vapor – Projeto 3
a) Distancia entre áreas: 350 metros.
b) Diâmetro da tubulação: 4”.
c) Material utilizado na tubulação: Polietileno de Alta Densidade (PEAD).
d) Outros Equipamentos: Purgadores de Condensado.
e) Valor Orçado Transporte do Biogás: R$ 170.000,00 (Cento e setenta mil reais)
f) Valor Estimado Construção Civil: R$ 500.000,00 (Quinhentos mil reais)
g) Valor Orçado de Manutenção Anual: R$ 24.000,00 (Vinte e quatro mil reais)
h) Somatória de valores deste item: R$ 694.000,00 (Seiscentos e noventa e quatro mil reais)
6.3.7 – Valor Total para o Projeto 3
Soma dos itens 6.3.5 e 6.3.6.
Valor Total: R$ 2.394.000,00 (Dois milhões trezentos e noventa e quatro mil reais).
64
Figura 11 – Foto da Turbina e Caldeira do Sistema de Cogeração de Energia Elétrica e Térmica movido à Gás
Natural
Fonte: Foto obtida na indústria em estudo no dia 15/10/2008.
6.4 – Projeto 4 - Aproveitamento do Biogás na Queima direta em Motogeradores
6.4.1 - Descrição do Projeto 4
Este processo permite a obtenção de Energia elétrica que pode ser interligada à rede
existente, com intuito de aumentar o fornecimento de energia e reduzir o consumo produzido pela
Cogeração. O biogás com elevado teor de metano é adequado para queima direta em
motogeradores.
Para adaptar cada motogerador movido à gasolina para queimar Gás Natural ou Biogás
serão necessários os seguintes equipamentos: 01 Chave Comutadora; 01 Caixa Coletiva; 01
Redutor de Pressão; 01 Válvula Abastecimento tipo Esfera; 01 Regulador Marcha Lenta; 01
Variador de Avanço Aires; 01 Emulador de Bicos 4 Canais; Mangueiras EPDM diâmetro Interno
de 7 mm; Mangueira de Borracha Nitrilica; Misturador de Alumínio; Tubulação de Alta Pressão;
Invólucro Estanque para Válvulas.
65
6.4.2 - Potencialidade do Projeto 4
Considerando a geração de 345 Nm
3
/h de biogás na Estação de Tratamento de Efluentes,
e uma produção diária de 24 h, e 26 dias por mês, resultará em uma produção mensal de 215.280
m
3
, disponíveis para serem transformados em alguma forma de energia.
O consumo de biogás do conjunto motor/gerador é de 0,646 m³/cv, considerando que
1kWh equivale a 0,7355 cv, temos um consumo de 0,4751 m³/kWh. Um metro cúbico de biogás
é equivalente a 6,5 kW/h de energia elétrica e a eficiência dos sistemas de cogeração varia entre
30 e 38%, ou seja, 2,0 – 2,5 kWh (COLDEBELLA e SOUZA, 2006).
O custo da produção de energia elétrica via biogás estão diretamente relacionados aos
tempos de amortização do investimento e de operação do sistema. Para as concessionárias, seria
interessante e vantajoso incentivar as fontes renováveis alternativas para produção de energia em
horários de ponta, o que alivia o sistema e diminui o investimento em usinas de ponta, para tanto
seriam necessárias políticas diferenciadas para tarifas na ponta e fora da ponta.
6.4.3 – Materiais, Equipamentos e Montagem do Projeto 4
Para a geração de energia elétrica este projeto associa ao sistema de tratamento, o
conjunto motor/gerador composto por um motor da marca Ford de 4,9l e 55cv de potência a 1800
RPM, ano 1998, tradicionalmente utilizado no veículo F-1000 a gasolina e um gerador de baixa
marca Kohlback, mod 180LB, 60Hz com capacidade de gerar 44kWh em regime continuo com
custo de implantação de R$ 25.000,00 (Vinte e cinco mil reais), e para compressão do Biogás foi
estimado 04 compressores Wetzel 40 Pés com Reserva de 350 litros Pressure com custo de
implantação de R$ 7.000,00 (Sete mil reais) por compressor.
6.4.4 – Despesas Não Orçadas para Implantação do Projeto 4
Despesas não orçadas no Projeto 4: - Eventuais sistemas de proteção ambiental de
emissões; - Terraplanagem; - Iluminação; - Fluidos substituíveis (óleo, água, aditivos etc); -
Meios de transporte horizontais ou verticais de materiais; - Análises de materiais não previstos no
fornecimento; - Despesas de transporte e hospedagem de técnicos.
66
6.4.5 – Valor Estimado para o Projeto 4
Atribuindo a necessidade de 4 equipamentos motogeradores considera-se valor para
investimento de R$ 100.000,00 (cem mil reais impostos inclusos), e também 04 compressores
onde considera-se o valor R$ 60.000,00 (Vinte e oito mil reais). Totalizando R$ 160.000,00
(Cento e sessenta mil reais).
6.4.6 – Valor Estimado para o Transporte do Biogás da Estação de Tratamento de
Efluentes até Motogeradores – Projeto 4
Este valor será desconsiderado devido à localização da instalação do motogerador ser
muito próxima aos Reatores Anaeróbios que são os produtores do Biogás.
a) Valor Estimado de Construção Civil: R$ 105.000,00 (Setenta e cinco mil reais)
b) Valor Estimado de Manutenção Anual: R$ 10.000,00 (Dez mil reais)
c) Somatória de Valores deste item: R$ 115.000,00 (Oitenta e cinco mil reais).
6.4.7 – Valor Total para o Projeto 4
Soma dos itens 6.4.5 e 6.4.6.
Valor Total: R$ 275.000,00 (Duzentos e setenta e cinco mil reais).
67
7. - CÁLCULOS DE RETORNO FINANCEIRO
7.1. - Custos para Cálculos de substituição do Gás Natural pelo Biogás
Foram utilizadas informações da tabela de preços da empresa COMGÁS, obtidas no site
da mesma.
Custo do Gás Natural: R$ 0,0957631 + 0,518029 + 18% ICMS = R$ 0,724274678 / m
3
ou
Custo do Gás Natural para Cálculos: R$ 0,7243 / m
3
.
Tabela 14 – Margens Máximas para Cálculo de Gás Natural
Variável R$/m³ - Sem ICMS
Classe
m³/mês
Geração de Energia Elétrica
destinada ao consumo próprio
ou à venda a consumidor final
Geração de Energia Elétrica
destinada à revenda a
distribuidor
1 Até 100.000,00 m³ 0,2546415 0,2511106
2 100.000,01 a 500.000,00 m³ 0,1388957 0,1369698
3 500.000,01 a 2.000.000,00 m³ 0,0971096 0,0957631
4 2.000.000,01 a 4.000.000,00 m³ 0,0863189 0,0851220
5 4.000.000,01 a 7.000.000,00 m³ 0,0755296 0,0744823
6 7.000.000,01 a 10.000.000,00 m³ 0,0647388 0,0638412
7 10.000.000,01 a 20.000.000,00 m³ 0,0539495 0,0532014
8 Acima de 20.000.000,00 m³ 0,0215787 0,0212795
Fonte: COMGAS (2008)
Notas:
1) Os valores não incluem ICMS.
2) Ao valor das margens desta tabela, que já incluem os tributos PIS/PASEP e COFINS, deverá ser acrescido o valor
do preço do gás (commodity e transporte) referido nas condições abaixo e destinado a esses segmentos.
3) Gás Natural referido nas seguintes condições:
Poder Calorífico Superior: 9.400 Kcal/m³; (39.348,400 kJ/m³ ou 10,932 kWh/m³)
Temperatura = 293,15ºK (20º C)
Pressão = 101.325 Pa (1 atm)
4) O custo do gás canalizado e do transporte destinados a estes segmentos, já considerados os valores dos tributos
PIS/PASEP e COFINS incidentes no fornecimento pela Concessionária, vigentes nesta data, é de:
a. R$ 0,525314/m³, nos casos em que o gás canalizado é adquirido como insumo energético utilizado na geração de
energia elétrica destinada ao consumo próprio ou à venda a consumidor final.
68
b. R$ 0,518029/m³, nos casos em que o gás canalizado é adquirido como insumo energético utilizado na geração de
energia elétrica destinada à revenda a distribuidor.
5) Os valores obtidos em razão de alterações para mais ou menos dos custos indicados no item 4, serão
contabilizados em separado por usuário e a estes repassados, nos termos da Cláusula 11ª do Contrato de Concessão.
6) O cálculo do importe deve ser realizado em cascata, ou seja, progressivamente em cada uma das faixas de
consumo.
7.2 – Custos para Cálculo de Fornecimento de Energia Elétrica
A empresa em questão possui um contrato de fornecimento de energia elétrica e térmica
com outra empresa, denominada EnergyWorks que pratica os valores abaixo:
Energia Elétrica: R$ 0,1240 / kWh
Energia Térmica: R$ 0,60 / MJ
7.3 – Comparação entre os Projetos 1, 2, 3 e 4 com Análise de Viabilidade Econômica
Os cálculos para purificação e compressão do biogás foram orçados pela empresa
ENIPLAN, bem como a manutenção para estes sistemas. Os gastos para instalação da tubulação
que transportará o gás até às áreas de utilização foram fornecidos pela empresa ESTIME, os
valores para construção civil e manutenção foram estimados, e os valores para os motogeradores
foram pesquisados em sites de venda de equipamentos.
Tabela 15 – Comparação de Custos entre os projetos
PLANTA PURIFICAÇÃO
1,2 E 3 (ENIPLAN) OU
MOTOGERADOR 4
CONSTRUÇÃO
CIVIL (ESTIMADO)
TRANSP. BIOGÁS
(ESTIMADO)
MANUTENÇÃO
ANUAL (ENIPALN)
CUTOS TOTAIS
IMPLANTAÇÃO E
MANUTENÇÃO NO
1º ANO
PROJETO 01
2.600.000,00 500.000,00 345.000,00 36.000,00 3.481.000,00
PROJETO 02
1.700.000,00 500.000,00 150.000,00 24.000,00 2.386.000,00
PROJETO 03
1.700.000,00 500.000,00 170.000,00 24.000,00 2.394.000,00
PROJETO 04
160.000,00 105.000,00 0,00 10.000,00 275.000,00
69
Tabela 16 – Base de preços dos custos dos combustíveis e Energia Elétrica
CUSTO GÁS
NATURAL
0,7243 R$ / m
3
CUSTO GLP
0,90 R$ / m
3
CUSTO BIOGÁS
0 R$ / m
3
CUSTO ENERGIA
ELÉTRICA
0,1240 R$ / kWh
Tabela 17 – Dados de vazão do biogás gerado e produção de energia elétrica
Quantidade Unidade Referência
345 m
3
/ h (X 1 h)
8.280 m
3
/ dia (x 24 h)
215.280 m
3
/ mês (x 26 dias)
VAZÃO DE BIOGÁS
GERADO
2.583.360 m
3
/ ano (x 12 meses)
Quantidade Unidade Referência
862,50 kWh (X 1 h)
20.700,00 kWh / dia (x 24 h)
538.200,00 kWh / mês (x 26 dias)
PRODUÇÃO DE
ENERGIA ELÉTRICA
6.458.400,00 kWh / ano (x 12 meses)
Obs: Para cálculo da Energia Elétrica produzida foram utilizados dados do item 6.4.2.
7.4 – Retorno Financeiro
Considerando a equivalência de 01 metro cúbico de biogás gerado com 01 metro cúbico
de Gás Natural consumido ou 01 metro cúbico de Gás Liquefeito de Petróleo, obtivemos os
resultados de tempo para retorno dos investimentos dos 04 projetos propostos.
Para o cálculo dos 04 projetos foi considerada a Taxa de Referência de 15 % ao ano, que é
a mesma utilizada na empresa, e também os cálculos foram realizados para o modelo de Payback
Descontado, ou seja, considera o valor do investimento no tempo, ajustando os fluxos de caixa
por uma Taxa, trazendo todos os fluxos de caixa a valor presente. O prazo de retorno financeiro
da empresa deve ser menor ou igual a 02 anos.
70
7.4.1 – Cálculo Projeto 01
O projeto 01 referente ao Aproveitamento do Biogás para Geração de Combustível para
Empilhadeiras tem custo total de R$ 3.481.000,00 (Três milhões, quatrocentos e oitenta e um mil
reais).
Fórmula para cálculo da conversão do biogás comparado ao GLP e receita gerada.
Q
BxGLP
= Q
BA
x E
B-GLP
Q
BxGLP
= 2.583.360 x 0,98
Q
BxGLP
= 1.149.388,53 m
3
/ ano
R
BxGLP
= Q
BxGLP
x C
GLP
R
BxGLP
= 1.172.845,44 x 0,90
R
BxGLP
= R$ 1.034.449,68 / ano
Onde:
C
GLP
= Custo do gás liquefeito de petróleo (R$)
C
P1
= Custo do Projeto 01 (R$)
E
B-GLP
= Equivalência biogás – gás liquefeito de petróleo
Q
BA
= Vazão do biogás gerado por ano (m
3
)
Q
BxGLP
= Vazão do biogás convertido em GLP (m
3
)
R
BxGLP
= Receita do biogás comparado ao GLP (R$)
Para cálculo de Payback Descontado será utilizado o modelo de fluxo de caixa com
valores iguais:
- Investimento = 3.481.000
- Fluxo de Caixa = 1.034.450
- Taxa = 15% ao ano
71
ANO
FLUXO CAIXA
ANUAL
FLUXO CAIXA
AJUSTADO
FLUXO CAIXA
ACUMULADO AJUSTADO
0 - 3.481.000 - 3.481.000 - 3.481.000
1 1.034.450 899.522 -2.581.478
2 1.034.450 782.193 -1.799.285
3 1.034.450 680.168 -1.119.118
4 1.034.450 591.450 -527.668
5 1.034.450 514.304 -13.363
6 1.034.450 447.221 433.858
O Payback está entre os anos 5 e 6 (FCA)
Payback = 5 + 13.363 = 5,03 anos
447.221
7.4.2 – Cálculo Projeto 02
O projeto 02 referente ao Aproveitamento do Biogás para Queima em Turbinas de
Cogeração de Energia Elétrica e Térmica tem custo total de R$ 2.386.000,00 (Dois milhões,
trezentos e oitenta e seis mil reais).
Fórmula para cálculo da conversão do biogás comparado ao GN e receita gerada
Q
BxGN
= Q
BA
x E
B-GN
Q
BxGN
= 2.583.360 x 0,58
Q
BxGN
= 1.498.348,80 m
3
/ ano
R
BxGN
= Q
BxGLP
x C
GLP
R
BxGN
= 1.498.348,80 x 0,7243
R
BxGN
= R$ 1.085.254,04 / ano
Onde:
C
GN
= Custo do gás natural (R$)
72
C
P2
= Custo do Projeto 02 (R$)
E
B-GN
= Equivalência biogás – gás natural
Q
BA
= Vazão do biogás gerado por ano (m
3
)
Q
BxGN
= Vazão do biogás convertido em GN (m
3
)
R
BxGN
= Receita do biogás comparado ao GN (R$)
Para cálculo de Payback Descontado será utilizado o modelo de fluxo de caixa com
valores iguais:
- Investimento = 2.386.000
- Fluxo de Caixa = 1.085.254
- Taxa = 15% ao ano
ANO
FLUXO CAIXA
ANUAL
FLUXO CAIXA
AJUSTADO
FLUXO CAIXA
ACUMULADO AJUSTADO
0 -2.386.000 -2.386.000
1 1.085.254 943.699 -1.442.301
2 1.085.254 820.608 -621.693
3 1.085.254 713.572 91.879
4 1.085.254 620.497 712.377
5 1.085.254 539.563 1.251.940
6 1.085.254 469.185 1.721.125
O Payback está entre os anos 2 e 3 (FCA)
Payback = 2 + 621.693 = 2,87 anos
713.572
73
7.4.3 – Cálculo Projeto 03
O projeto 03 referente ao Aproveitamento do Biogás na Queima como Combustível
Para
Caldeira
Geradora
de
Vapor tem custo total de R$ 2.394.000,00 (Dois milhões, trezentos e
noventa e quatro mil reais).
Fórmula para cálculo da conversão do biogás comparado ao GN e receita gerada
Q
BxGN
= Q
BA
x E
B-GN
Q
BxGN
= 2.583.360 x 0,58
Q
BxGN
= 1.498.348,80 m
3
/ ano
R
BxGN
= Q
BxGLP
x C
GLP
R
BxGN
= 1.498.348,80 x 0,7243
R
BxGN
= R$ 1.085.254,04 / ano
Onde:
C
GN
= Custo do gás natural (R$)
C
P3
= Custo do Projeto 03 (R$)
E
B-GN
= Equivalência biogás – gás natural
Q
BA
= Vazão do biogás gerado por ano (m
3
)
Q
BxGN
= Vazão do biogás convertido em GN (m
3
)
R
BxGN
= Receita do biogás comparado ao GN (R$)
Para cálculo de Payback Descontado será utilizado o modelo de fluxo de caixa com
valores iguais:
- Investimento = 2.394.000
- Fluxo de Caixa = 1.085.254
- Taxa = 15% ao ano
74
ANO
FLUXO CAIXA
ANUAL
FLUXO CAIXA
AJUSTADO
FLUXO CAIXA
ACUMULADO AJUSTADO
0 -2.394.000 -2.394.000
1 1.085.254 943.699 -1.450.301
2 1.085.254 820.608 -629.693
3 1.085.254 713.572 83.879
4 1.085.254 620.497 704.377
5 1.085.254 539.563 1.243.940
6 1.085.254 469.185 1.713.125
O Payback está entre os anos 2 e 3 (FCA)
Payback = = 2 + 629.693 = 2,88 anos
713.752
7.4.4 – Cálculo Projeto 04
O projeto 04 referente ao Aproveitamento do Biogás na Queima direta em Motogeradores
tem custo total de R$ 275.000 (Duzentos e setenta e cinco mil reais).
Fórmula para cálculo da conversão do biogás comparado à redução de energia elétrica e
receita gerada
V
BxEE
= Q
BA
x E
B-EE
V
BxEE
= 2.583.360 x 2,0
V
BxEE
= 5.166.720,00 kWh / ano
R
BxEE
= V
BxEE
x C
EE
R
BxEE
= 5.166.720 x 0,1240
R
BxEE
= R$ 640.637,28 / ano
Onde:
C
EE
= Custo da Energia Elétrica (R$)
75
C
P4
= Custo do Projeto 04 (R$)
E
B-EE
= Equivalência biogás – energia elétrica (Item 6.4.2)
Q
BA
= Vazão do biogás gerado por ano (m
3
)
V
BxEE
= Valor do biogás convertido em energia elétrica (kWh)
R
BxEE
= Receita do biogás comparado à redução no consumo de energia elétrica (R$)
Para cálculo de Payback será utilizado o modelo de fluxo de caixa com valores iguais:
- Investimento = 275.000
- Fluxo de Caixa = 640.637
- Taxa = 15% ao ano
ANO
FLUXO CAIXA
ANUAL
FLUXO CAIXA
AJUSTADO
FLUXO CAIXA
ACUMULADO AJUSTADO
0 -275.000 -275.000
1 640.637 557.076 282.076
2 640.637 484.414 766.489
3 640.637 421.229 1.187.718
4 640.637 366.286 1.554.005
5 640.637 318.510 1.872.515
6 640.637 276.965 2.149.480
O Payback está entre os anos 0 e 1 (FCA)
Payback = 0 + 275.000 = 0,49 anos
557.075
7.5. – Resumo dos Cálculos dos Projetos
PROJETO 01 PROJETO 02 PROJETO 03 PROJETO 04
Investimento (R$) 3.481.000 2.386.000 2.394.000 275.000
Fluxo de Caixa (R$)
1.034.450 1.085.254 1.085.254 640.637
Payback (anos) 2,87 2,87 2,88 0,49
76
8 – GANHOS AMBIENTAIS
Em relação à poluição atmosférica, insta salientar que a redução da emissão de GEE
proporciona divisa através de projetos de Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL), sendo
este um dos mecanismos de flexibilização criados pelo Protocolo de Quioto.
O Protocolo de Quioto é um dos mais importantes documentos de combate ao efeito
estufa. Foi adotado em dezembro de 1997, em complementação à Convenção-Quadro das Nações
Unidas sobre a Mudança do Clima, de 1992, tendo entrado em vigor em 16 de fevereiro de 2005,
após ratificação da Rússia (PRESSE, 2005).
Sua meta é que os países industrializados, incluídos no Anexo I do Protocolo, reduzam
suas emissões combinadas de gases de efeito estufa em pelo menos 5,2 % em relação aos níveis
de 1990, até o período entre 2008 e 2012. Tal compromisso, com vinculação legal, pretende
produzir uma reversão da tendência histórica de crescimento das emissões iniciadas nesses países
há cerca de 150 anos (Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT), 2006).
Estudos científicos demonstram que o gás metano (CH
4
) e o dióxido de carbono (CO
2
)
são os principais responsáveis pelo aumento da temperatura média do planeta, contribuindo,
respectivamente, com 17% e 50% do efeito estufa (CEPEA-FEALQ, 2004). São conhecidos,
pois, como Gases de Efeito Estufa (GEEs).
Apesar do porcentual de contribuição do gás metano ser menor que o do dióxido de
carbono para o aumento do efeito estufa, verifica-se que a ação específica daquele é muito mais
intensa que a deste. O gás metano (CH
4
) é 21 vezes mais ativo na retenção de calor na
estratosfera em relação ao gás carbônico (CO
2
), conforme tabela abaixo:
Tabela 18 – Potencial de Aquecimento Global
TIPOS DE GASES EQUIVALENTES EM CO
2
(eCO
2
)
CO
2
(Gás Carbônico ou Dióxido de Carbono) 1
CH
4
(Gás Metano) 21
N
2
O (Óxido Nitroso) 310
HFC’s (Hidrofluorcarbonos) 100 – 3.000
PFC’s (Perfluorcarbonos) 5.000 – 10.000
SF
6
(Hexafluoreto de Enxofre) 23.900
Fonte: Ministério do Meio Ambiente (2008)
77
O reaproveitamento do Biogás como alternativa para consumo de outros gases (GN e
GLP) tem grande retorno financeiro quando aplicado em uma Estação de Tratamento de
Efluentes de uma Cervejaria na cidade de Jacareí-SP, este retorno financeiro chega
aproximadamente duzentos mil reais por mês, mas além dos ganhos financeiros temos também os
ganhos ambientais.
Os ganhos relacionados à questão ambiental são provenientes da redução de consumo de
Gás Natural ou Gás Liquefeito de Petróleo, ambos são extraídos e processados até chegar a ponto
de consumo, utilizando mais energia para essa industrialização, e também atribuindo riscos de
vazamento e poluição em relação ao transporte destes gases até o ponto de consumo. O Biogás é
um produto gerado no tratamento dos efluentes gerados na Cervejaria e atualmente e queimado
atendendo às condicionantes da Licença de Operação, a reutilização deste gás demonstra uma
considerável contribuição ambiental.
78
9 - CONCLUSÃO
Todas as formas de reutilização ou reaproveitamento de energia são consideradas nobres e
significativas, pois estamos diante de um grande problema para desenvolver formas de preservar
os recursos naturais e reduzir o impacto causado pelos processos industriais.
Com os resultados obtidos é possível aproveitar todo biogás gerado na Estação de
Tratamento de Efluentes e deixá-lo em condições para utilização nos 04 projetos, sendo o projeto
04 “Queima direta em Motogeradores”, o mais atrativo em função do cálculo de retorno
financeiro ser o menor (0,49 anos) e também pelo valor total do investimento ser o menor
comparado aos outros projetos. Outro fator importante para este projeto é o número de
equipamentos utilizados para processar e reaproveitar o biogás, e também a dispensa da
necessidade de transporte do biogás, evitando outras despesas e riscos de acidentes no
gerenciamento do transporte do biogás.
A instalação deste projeto pode implicar em modificações no atual sistema de distribuição
de energia elétrica, pois, o projeto proposto deverá ser interligado à rede principal para fornecer a
energia nos momentos de produção. Será necessário ainda detalhar os orçamentos estimados
neste estudo, bem como, avaliar os custos de adaptar o fornecimento desta energia ao paralelismo
da rede de energia elétrica existente.
O projeto é altamente sustentável, visto que, a geração do biogás é inerente ao processo de
tratamento de efluentes que por sua vez está vinculado ao processo de fabricação de cerveja. A
empresa terá grande economia após o retorno dos investimentos, podendo comercializar os
créditos de carbono e obter valores monetários consideráveis após implantação desta nobre
reutilização de energia. Considerando também que o grupo possui outras unidades para
fabricação de cerveja em outros estados e com Estações de Tratamento de Efluentes na mesma
configuração, este projeto poderá ser implantado em todas as unidades.
79
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