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An. 4. Enc. Energ. Meio Rural 2002

 

Síntese e otimização de uma unidade de geração de energia usando esgotos urbanos e resíduos sólidos auxiliado por software simulador

 

 

Costa, G.B*; Santos, H. P. A; Oliveira, A. K. C; Araújo, K. M; PANNIR, S. P.V.

Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Departamento de Engenharia Química - Centro Tecnológico Grupo de Pesquisa de Custos e Processos - GPEC Cep: 59072-970 - Natal/RN fone: (084) 215-3769 fax: (084) 215-3770 www.ufrngpec.hpg.com.br e-mail: benevides@eq.ufrn.br

 

 


RESUMO

O complexo tema da crise energética e do descontrolado descarte dos resíduos orgânicos (lixo) e dos esgotos urbanos, que é uma problemática ambiental, faz aumentar a busca de alternativas de aproveitamento de tais dejetos como matéria-prima para a obtenção de energia. Este trabalho propõe uma síntese de projeto usando o processo de compostagem e vale de oxidação para o tratamento destes rejeitos, produzindo biogás para a geração de energia, adubo orgânico e líquido. Tomou-se como referência a usina de compostagem de Guaratinguetá-SP. Para o desenvolvimento do presente trabalho fez-se com auxílio do software simulador SuperPró Designer a comparação de três cenários de usinas de tratamento uma com tratamento de resíduos orgânicos, outra com tratamento de esgoto, e a terceira com o tratamento combinado de resíduos orgânicos e esgotos, sendo que todos os cenários apresentam o processo de fermentação anaeróbica. Neste trabalho também é feita uma análise de importantes critérios como: custo de investimento e custo operacional para o sistema de produção de energia de biomassa residual.

Palavras chaves: Síntese, Otimização, Resíduos sólidos, Esgoto urbano,


ABSTRACT

The complex theme of the energy crysis and uncontrolled disposal of the organic waste and of the urban sewers, which lead to environmental problem, make it necessary to have increased search forwards alternatives of use of such residues as the raw material for production of energy. This work proposes a project synthesis using the composting process and it is biological oxidation race ponds for the treatment of the residues producing bio gas for generation of energy, organic and liquid fertilizer. The composting plant of Guaratinguetá-SP was taken as reference for this work development. In the work, with the help of software SuperPro Designer process simulator three scenarios of treatment plants sewage treatment, organic solid residues, and combined treatment are compared, where as all these include anaerobic fermentation. In this work, also were carried investment and cost analysis for the energy production system, from residual biomes.


 

 

INTRODUÇÃO

Tendências mundiais tem revelado um crescente aumento nas tarifas de energia elétrica. Particularmente no Brasil, as grandes dimensões territoriais associadas aos elevados custos de implementação de redes de distribuição de energia, a poluição ambiental e a crescente necessidade de redução de custos operacionais tem impulsionado empresas e pesquisadores a desenvolver projetos de geração de energia elétrica usando Biogás (Carioca, 1982)e bioconversão (Lima, 1975).

Estima-se que cerca de 440 milhões de toneladas de resíduos e subprodutos agro-industriais, agrícolas e animais são gerados anualmente no país. Mas apenas uma pequena fração destes, em torno de 5 a 8 %, é bem aproveitada no Brasil, enquanto esse aproveitamento chega a 36% em outros países. O desenvolvimento de tecnologias, buscando soluções inovadoras, envolvendo menor risco, através de pesquisas aplicadas, com viabilidade econômica e ecológica(Lopes, 1994).

Estamos desenvolvendo pesquisa básica e aplicada neste campo de geração de energia usando biomassa residual.

Selecionamos o uso de Biogás ou Gás Natural dentre outras tecnologias alternativas para produção de energia elétrica pois estas duas são baseadas na combustão do metano, o que aproxima as respectivas avaliações técnicas e econômicas. Além disso, estes dois combustíveis são considerados limpos e possuem reservas abundantes ou facilidade de obtenção e seu uso em substituição de outros combustíveis, como a madeira por exemplo, resolve diversos problemas ambientais (PannirSelvam, 1980).

Neste trabalho apresentamos comparações de aspectos técnicos e econômicos para três cenários, sendo o primeiro para o tratamento de resíduos orgânicos, o segundo para o tratamento de esgotos urbanos e o terceiro cenário para o tratamento conjunto de resíduos orgânicos mais esgotos urbanos. Os produtos obtidos após os processos são Biogás para geração de energia elétrica, Adubo orgânico e líquido carbonatado por compostagem anaeróbica com equipamentos disponíveis no mercado nacional.

Uma forma integrada de tratar os resíduos sólidos orgânicos mais esgotos urbanos inclui um grande número de medidas singulares e níveis de ações interligadas da comunidade que envolve um objetivo comum; acabar com o conceito antigo da simples remoção e disposição dos resíduos orgânicos, e sim implantar um programa mais complexo baseado em uma solução definitiva para os resíduos sólidos e esgotos urbanos (Marques, 2001).

Embora o Brasil seja um país de origem agrícola, o país tem pouca tradição na produção de compostos através de resíduos orgânicos provenientes principalmente de restos de comida, existindo somente 15 (quinze) instalações de compostagem, dentre as quais somente 2 (duas) estão em pleno funcionamento. Nem sequer há atualmente uma estimativa corrente da produção de compostos no Brasil (Marques, 2001).

Na prática o que se observa no Brasil, é que a tecnologia de compostagem tanto pelo método aeróbio, anaeróbio ou misto não se encontra muito bem fundamentada, devido a várias experiências mal sucedidas, que logicamente sempre levaram à produção de um composto de má qualidade; o processo com um todo está desacreditado no país (Bidone, 1999)

O que se objetiva neste trabalho é mostrar uma importante valorização dos resíduos orgânicos e dos esgotos urbanos através de uma compostagem anaeróbia pela concepção de uma usina de compostagem anaeróbia de resíduos sólidos orgânicos, e esgotos urbanos, tendo como referência uma usina de compostagem em Guaratinguetá-SP e outra em Karlsruhe, na Alemanha, onde está técnica está em pleno desenvolvimento (Marquez, 2001).

 

REVISÃO DE PESQUISA BIBLIOGRÁFICA

Devido ao elevado desperdício no Brasil, existe atualmente uma grande preocupação em relação aos problemas causados pelas descargas de esgotos urbanos e resíduos sólidos orgânicos, provocando um desequilíbrio nos níveis de oxigenação da água e conseqüentemente morte da população aquática ali existente (Carioca, 1982) e (Lima, 1975).

Destaca-se assim não só a importância de despoluir, mas também, a geração de novas tecnologias a partir de reciclagem desses resíduos e esgotos o que é a principal preocupação de nossa pesquisa. (Lopes, 1994) e (PannirSelvam, 1996).

Investigações sobre os sistemas alternativos de geração de energia elétrica têm se concentrado sobre o processo, deixando-se em segundo plano um dos principais objetivos que são os custos. Essa carência é mais evidente no caso de sistemas mais simples e econômicos. (Sgarzela, 1983).

O México, Índia, China e o Brasil, na década de setenta, com a crise do petróleo, fizeram uma verdadeira corrida em busca de fontes alternativas de energia sendo o biogás uma das fontes mais pesquisadas, não somente pelo produto obtido (energia), mas também pela vantagem que apresenta em utilizar resíduos orgânicos residenciais, industriais ou agrícolas (Carioca, 1982).

Existem diversas plantas de tratamento anaeróbico de resíduos sólidos que estão funcionando em grandes escalas em vários países como Filipinas França, Taiti, Nova Zelândia, sendo a seus volumes maiores que 500 m3 (Felizardo, 1988).

PROCESSO DE COMPOSTAGEM

A compostagem é um processo biológico aeróbio e controlado de transformação de resíduos orgânicos, através de processos físicos, químicos e biológicos em um composto estável que tenha como principal função a de fertilizantes orgânicos ( Bidone, 1999).

Além da produção de biogás podemos produzir outros compostos como adubo orgânico e fertilizante líquido carbonatados através da compostagem (Bidone, 1999).

A compostagem, embora seja uma prática remota, atualmente está em grande desenvolvimento principalmente por dois motivos (Marques, 2001).

- o uso de fertilizantes orgânicos tem sido reclamado principalmente nos países industrializados devido ao movimento naturalista, mais intensamente revigorado nas últimas décadas;

- a grande difusão dos compostos orgânicos pela exigência produtos mais saudáveis e produzidos naturalmente sem a adição de fertilizantes químicos.

Os principais métodos de Compostagem são:

- Processo aeróbico;

- Processo anaeróbico.

As principais vantagens do processo anaeróbico em relação ao processo aeróbico são:

- Espectro maior em relação aos diferentes materiais de entrada;

- Balanço de energia sempre positivo;

- Minimização das emissões;

- Menor tempo de processamento;

- Minimização de custos de investimentos e custos de funcionamentos;

- Excelente qualidade de composto;

- Melhor layout possível de área;

- Segurança no trabalho e técnicas de proteção.

E as desvantagens são:

- Grandes volumes de esgotos produzidos;

- Não opera com materiais estruturais, ricos em lignina.

CO-PRODUTOS DE BIODIGESTÃO

O biofertilizante líquido (biolíquido) é a parte aquosa do biofertilizante natural quando se efetua o peneramento e a filtração, provocando-se a eliminação do conteúdo sólido. Este produto pode ser usado em aspersão como adubo folhear ou diretamente no solo junto as raízes, bem como hidroponia . A assimilação pelas plantas se efetua com muita rapidez, de modo que é muito útil na cultura de ciclo curto (PannirSelvam, 1980).

Além disso, já foi evidenciado em pesquisas realizadas em vários países, que o biofertilizante possui efeitos, tais como fito hormonal, fungistático, bacteriostático, de repelencias contra insetos, nematecida e acaricida (PannirSelvam, 1996).

BIOCONVERSÃO AERÓBICA

Uma oxidação biológica usando aerador ocorre em um reator biológico de passes simples onde a matéria orgânica solúvel é biodegradada a CO2 e H2O através da utilização de aeração artificial e cultura mista de microorganismos (Eckenfelder, 1989). Ela nasceu da introdução de aeradores nas lagoas de estabilização com o objetivo de reduzir problemas que também pode ser feita através de vale de oxidação onde o ar é fornecido por algas diminuindo o consumo de oxigênio (PannirSelvam, 1980).

BIODIGESTORES PARA TRATAMENTO DE RESÍDUOS SÓLIDOS

Biodigestores são reatores que utilizam sistemas mistos de biomassa fixa e floculantes, tais como: decanto-digestores e filtros biológicos. As fossas sépticas são unidades destinadas a tratar o esgoto de residências ou conjunto de residências. O decanto-digestor é composto por três câmaras para decantação e digestão e uma câmara utilizada como filtro biológico chamado claridigester anaeróbico de fluxo ascendente, sendo o leito filtrante composto de tubos plásticos com pequena altura. Este sistema foi objetivo de estudo de rendimento com remoção de carga orgânica, sólidos e coliformes, devido ao baixo custo. As características principais deste sistema são apresentadas na Tabela 1.

 

 

 

Fluxograma 1

 

METODOLOGIA PARA SELEÇÃO SISTEMAS PROCESSOS DO TRATAMENTO RESÍDUO SÓLIDOS E ESGOTOS URBANOS

Existem diversos equipamentos para a realização de uma operação, no caso em estudo escolhemos o biodigestor de multi estágio por ser o que apresenta o menor grau de complexidade operacional como mostra experiências nas realizadas na Felipinas, apresentando grau de complexidade menor que o do tipo UASB que utiliza fluxo ascendente. Os biodigestores de resíduos sólidos apresentam um longo tempo de residência de 20 a 25 dias, mas com a utilização de microorganismos e bactérias pode se reduzir a 10 a 15 dias (Felizardo, 1988).

Na seleção de equipamento de consumo de energia elevada como os aeradores, foram eliminadas usando o processo de bioconversão microbiana de algas e bactérias.

Optamos pela utilização de floculantes naturais para substituir o uso de centrífugas, baseado em experiência recente nesse laboratório.

 

Fluxograma 2

 

 

Fluxograma 3

 

DETALHAMENTO DO SISTEMA

PREPARAÇÃO PRELIMINAR DOS RESÍDUOS ORGÂNICOS

Todo o processo na usina de compostagem se inicia com a chegada do veículo coletor com os resíduos orgânicos coletados. O veículo de coleta será inicialmente pesado, antes da descarga, através de uma balança localizada entre as duas comportas, sendo que cada veículo tem seu peso vazio pré-determinado.

O Material do veículo de coleta é descarregado diretamente em um silo de concreto. Os resíduos orgânicos coletados e descarregados no silo devem ser transportados para uma esteira metálica vibratória e dosadora existente no silo. Sobre a esteira transportadora o material caminha para um moinho helicoidal de engrenagens.

PREPARAÇÃO E UTILIZAÇÃO DOSRESÍDUOS ORGÂNICOS

Os resíduos orgânicos pré-preparados seguirão para um silo de série (intregado ao sistema - tanque de dissolução e separação).

O tanque de dissolução e separação produz dos resíduos orgânicos e com o acréscimo de água do processo uma solução apta a ser bombeada; além disto separa dos resíduos os materiais estranhos e perturbadores (de grande volume) carregados inevitavelmente.

O objetivo deste tratamento de pré-tratamento é o de promover uma separação eficiente e um bom rendimento dos três componentes básicos da biomassa, paralelamente a um aumento significativo da susceptibilidade do componente celulósico à hidrólise enzimática facilitando o processo de digestibilidade.

Os resíduos orgânicos livres de substâncias pertubadoras devem ser bombeados para o processo de fermentação no reator de metano. Neste reator a massa deve ficar por 16 dias. Após este período cerca de 45 % das substâncias orgânicas foram fermentadas e consequentemente decompostas. O reator funciona com um sistema misto completo em que a certeza da produção de gás é feita pelo abastecimento uniforme de substâncias nutritivas aos microorganismos.

DE RESÍDUO SÓLIDO A COMPOSTO

Em média após 14 (quartoze) ou 16 (dezesseis) dias será solução conduzida do reator de metano para uma centrífuga onde ocorre uma drenagem até 35 % em relação ao conteúdo de resíduos secos. Para a estabilização e uma melhor decantação a solução será misturada com um produto químico que auxilia a floculação. Após a decantação, as substâncias sólidas (restos sólidos da fermentação e o futuro composto) são transportadas através de uma esteira helicoidal, da centrífuga para um depósito de substâncias fermentadas, o líquido resultante da drenagem é bombeado para o reservatório de água do processo.

TRATAMENTO DE ESGOTO

Este líquido armazenado, em um reservatório de água do processo forma com o tempo uma espécie de malte rico em microorganismos decompositores que auxiliam o processo o processo de fermentação na fase de dissolução das substâncias orgânicas no tanque de dissolução e separação.

Este líquido é proveniente de biodigestores de lixo orgânico e efluente obtido de decantação de esgoto é conduzido a estação de tratamento de esgotos que utiliza reator tipo vale de oxidação de alta taxa usando microalgas usando microalgas e bactérias microbiológicas.

A matéria sólida drenada, os restos das substâncias fermentadas, será misturada com o material estrutural (material rico em madeira) e colocada em um box hermeticamente fechado chamado rottebox, Nesta fase, dentro do rottebox, através da aeração e o aquecimento da mistura a temperaturas em torno de 60 a 65 ºC será feita a higienização e uma pequena compostagem aeróbica.

Após isto, o material será enviado a um pátio coberto para a fase final de maturação e a formação do composto.

SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA

Escolhemos um sistema utilizando um biodigestor de multi-estágios tipo convencional do modelo chinês modificado para uso de resíduos sólidos triturados com sistema de recirculação com bombas, de modo a atender a produção de gás necessária para o consumo de gerador elétrico movido por um motor gerador elétrico com autonomia de 10hs (quando sem produção de gás pelos digestores). Este motor consome 3,4 m3 de gás por hora de funcionamento. Um m3 de metano pode gerar em torno de dois Kw/h. O motor empregado neste processo funciona com biogás e tem rendimento de 30%, ou seja, apenas 30% da energia liberada pela queima do biogás é convertida em energia elétrica pelo gerador.

DIMENSIONAMENTO DE EQUIPAMENTO USANDO SIMULADORES

Para a simulação do processo utilizou-se a seguinte seqüência: Iniciou-se, utilizando bancos de dados do Simulador SuperPró Designer, as substâncias e os agentes de transferência de calor que são utilizados durante o processo; selecionou-se os equipamentos utilizados no processo; descriminou-se as informações sobre as correntes de entrada e os parâmetros de processo; simulação de processo, realizando automaticamente as cálculos de balanço de massa, balanço energético e informações das correntes de saída; mudou-se os parâmetros relacionados com os modelos cinéticos de bioconversão do processo para se obter uma aproximação com os dados do projeto real com sucesso (Felizardo, 1988). Gerou-se relatórios de balanço de massas de processo e projeto global, custo e dimensionamento dos equipamentos, vazões e composições de saída dos equipamentos, taxa de resfriamento, fluxo de calor no secador e fluxograma geral englobando os processos de bioconversão, combustão e secagem.

ANÁLISE TÉCNICA-ECONÔMICA

O projeto começou com uma pesquisa bibliográfica para verificação, estudo e seleção de tecnologias já existentes sobre geração de energia elétrica baseada na combustão do metano. Foram incluídos levantamentos feitos via Internet e Commut, sobre características dos substratos e processos de bioconversão.

O próximo passo foi a seleção e o dimensionamento dos processos e equipamentos utilizados no projeto de biogás. Em fase final, analisamos e comparamos os resultados de uma simulação do funcionamento usando simulador de processo SUPERPRO inteligente INC deste projeto (PannirSelvam, 1996).

Brasil. Para desenvolvimento do projeto calculou o custo de operação variável, matéria-prima, mão-de-obra direta e indireta, equipamentos e máquinas, depreciação, seguros, etc, auxiliado por computador (PannirSelvam, 1996). Para simulação foi usado método computacional modular com programas desenvolvidos em software Excel versão 97. O menu interativo disponível no programa facilitou o desenvolvimento de análise econômica do projeto preliminar.

PROJETO DE INVESTIMENTO

Inicialmente, baseado no dimensionamento dos equipamentos obtidos durante simulação do processo, há o cadastramento desses equipamentos, no intuito de realizar a atualização de seus custos.

Uma vez obtido dados de instalações e custo de equipamentos de acordo com especificações técnicas das máquinas e equipamentos obtidas através por simulador de processos de projeto procede-se o estuda da projeto de custo.

PROJETO DE CUSTOS

Para a simulação econômica do projeto utilizou-se o Quatro Pro for Windows, com software desenvolvido para calcular a viabilidade econômica de projetos de engenharia de custos atualizados Catual (PannirSelvam, 1996).

Catual (Ca)=custo atualizado do equipamento depende de Cbase (Cb)= custo do equipamento disponível na literatura técnica; Aatual (Aa)= dimensionamento do equipamento obtido durante simulação de processo; Abase (Ab)= dimensionamento do equipamento disponível na literatura técnica e fator exponencial (e), índice atual de inflação (IAI) + índice base de inflação (IBI) ( PannirSelvam, 1980).

Investimento Fixo: calculou-se tal investimento, baseando-se nos custos e dimensionamentos dos equipamentos, utilizando-se um modelo econômico baseado nos fatores de Lang e Chilton (Pannirselvam, 1996) que engloba instalações elétricas, instrumentação, tubulação, etc. (PannirSelvam, 1980).

Custo variável: Calculou-se se baseando na entrada de dados do nº de operadores e de supervisão (em função da necessidade dos equipamentos); Mão-de-obra indireta: calculou-se a partir de uma taxa percentual em relação à mão de obra direta. Matéria prima: calculou-se a partir de dados de consumo, obtidos durante simulação do processo, e o custo unitário da substância, segundo preço de mercado, por unidade de volume ou massa.

Custo fixo: Utilizou-se uma taxa percentual de 10%, em relação ao investimento fixo, para cálculo de manutenção: eqüivale a 3,5% (taxa percentual arbitrária) do investimento fixo obtendo-se custo total:

Custo total = Custo variável + Custo fixo

 

RESULTADOS E DISCUSSÕES

ESTUDO DE CASO

Diante da escassez de informações de dados físicos químicos e termodinâmicos, custo de equipamentos efetuou-se um levantamento item a item das principais etapas de processos. Para atender as necessidades de geração de energia elétrica usando neste caso, três alternativas/cenários foram estudadas em detalhes com projeto de investimento, custo e análise de viabilidade econômica com fluxo de caixa.

Os resultados obtidos estão apresentado a seguir, para um projeto de estudo de caso de uma cidade de 100.000,00 habitantes.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ANÁLISE DOS RESULTADOS

É impossível continuar no Brasil a coleta e disposição dos resíduos sólidos de forma inadequada comprometendo a saúde pública e o meio ambiente. Medidas urgentes devem ser tomadas, antes que o comprometimento do meio ambiente se torne irreversível. Assim os municípios brasileiros devem revisar urgentemente o seu sistema atual em relação ao lixo, para uso de geração de energia.

Uma observação clara é que a forma de coleta de todos os resíduos sólidos em conjunto e a posterior separação e aproveitamento são inviáveis economicamente tanto pela contaminação dos materiais recicláveis como pela produção de um composto de má qualidade.

Desta forma a implantação da coleta seletiva, o reaproveitamento dos materiais recicláveis para os municípios brasileiros como a estratégia mais correta de reaproveitamento dos resíduos sólidos, para geração de energia.

Uma importante análise a ser feita é todo o impacto que medidas como estas podem contribuir para melhora do meio ambiente.

A pesquisa básica aplicada relacionada com geração de energia elétrica utilizando biomassa residual envolve bioconversão aeróbica, anaeróbica e fermentação semi-sólida de compostagem e envolve integração de sistema de resíduo sólido e esgoto urbano, mostrou-se mais econômico e ecológico.

A utilização de codigestão de lixo orgânico urbano junto com efluentes urbano é indispensável para viabilidade econômica do sistema de geração de energia de biomassa residual e pela necessidade de suprir-se as demandas elétricas e térmicas e custo operacional do tratamento e despoluição.

Seleção de sistema de cogeração de energia utilizando bioconversão anaeróbica e aeróbica de custo mínimo que satisfaz aos requisitos técnicos, econômicos e ecológicos, torna-se útil o projeto preliminar de geração de energia de biomassa residual desenvolvida.

 

CONCLUSÃO

Podemos ressaltar que a utilização do software simulador SuperPró Designer v. 3.0 facilitou a síntese do projeto complexo de Fermentação anaeróbica + compostagem aeróbica.

Os custos apresentados para a construção e funcionamento da usina de fermentação anaeróbica + compostagem aeróbica apresentou-se viável em relação ao benefício social,

O presente trabalho apresentou alto investimento cerca de duas vezes maior que os processos convencionais, e apresentou 40 % menor no custo de operação., sendo um processo complexo e que necessita a implementação de cogeração e um estudo detalhado.

O trabalho futuro deve ser dirigido pela complementação do estudo apresentado incluindo-se estudo de viabilidade tecno-econômica de sistema desenvolvida para diferentes cidades brasileira do sistema.

 

AGRADECIMENTOS

Os autores gostariam de dedicar seus sinceros agradecimentos ao CNPq/PIBIC; PPGEQ/DEQ/CT/UFRN e a ANP/PRH-14 pelo suporte financeiro e infra-estrutura.

 

BIBLIOGRAFIA

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