1. Introdução

O manejo inadequado dos Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) está entre os maiores causadores de problemas ambientais, sociais e econômicos de diversos países. Segundo Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada, um estudo realizado em abril de 2012 informou que o Brasil coletava cerca de 183,5 mil toneladas de resíduos sólidos por dia em 90% do total de domicílio, sendo 51,4% desse montante representado pela porção orgânica contabilizando cerca de 94,319 toneladas de resíduo orgânico descartado diariamente de maneira inapropriada no meio ambiente. Segundo CHERNICHARO (2007, apud FERREIRA, 2015), nos sistemas biológicos de tratamento, cerca de 80% da matéria orgânica presente no substrato é convertida em biogás, composto majoritariamente por metano. Assim, devido à sua elevada concentração em consonância ao grande potencial calorífico e potencial de emissão de GEE cerca de 25 vezes superior ao CO₂, o metano e por consequência o biogás, torna-se extremamente valioso para fins energéticos caracterizando o método de biodigestão anaeróbia como um destino nobre aos resíduos orgânicos. Afim de encontrar um destino mais nobre e ecologicamente correto aos resíduos orgânicos, esse trabalho teve como objetivo analisar o potencial energético do biogás passível de ser produzido a partir da biodigestão anaeróbia do resíduo alimentar produzido diariamente pelo restaurante Sem Nome na cidade de Itajubá – MG.

O tratamento biológico do resíduo orgânico mediante a digestão anaeróbia pode vir a ser extremamente viável a países como o Brasil, visto que segundo a caracterização nacional de resíduos, publicada na versão preliminar do Plano Nacional de Resíduos Sólidos, os resíduos orgânicos correspondem a mais de 50% do total de resíduos sólidos urbanos gerados no Brasil. Somados aos resíduos orgânicos provenientes de atividades agrossilvopastoris e industriais, os dados do Plano Nacional de Resíduos Sólidos indicam que há uma geração anual de 800 milhões de toneladas de resíduos orgânicos. Segundo FERREIRA (2015, apud MATA-ALVAREZ e CECCHI, 1990), em condições favoráveis à metanização, o biogás gerado a partir do resíduo orgânico apresenta cerca de 60% de CH4, conforme obtido também em um estudo na Universidade Federal de Minas Gerais, onde foi avaliado um sistema de metanização de resíduos alimentares com vistas ao aproveitamento energético do biogás, o qual contabilizou um percentual médio de 59% de metano, gerando cerca de 108 kWh.d^-1 , sendo 32 kWh. d^-1 disponível para transformação em eletricidade, podendo assim, abastecer cerca de 7 residências por dia, considerando um consumo médio elétrico nacional (158,9 kWh.mês-1 – EPE, 2013) (FERREIRA, 2015).

2. Metodologia

2.1. Biodigestor experimental

O desenvolvimento da pesquisa iniciou com a elaboração de um projeto piloto a fim de estudar quantitativamente a produção de metano a partir da decomposição anaeróbia dos resíduos de alimentos amostrados. Para tanto, utilizou-se de garrafas PET’s retornáveis para armazenamento do substrato e posteriormente do biogás produzido. Buscou-se utilizar para a construção dos reatores, materiais de baixo custo e com grande disponibilidade. Assim utilizou-se dos seguintes equipamentos.

· 3 garras PET’s retornável com tampas.

· 1,5 m de mangueira alta pressão, Ar e Água, 300 Psi 5/16’’.

· 3 Registro (torneira) para gás P13.

· 6 abraçadeiras para mangueira.

· Durepoxi

· Veda Rosca 3/4 ‘’

· Cola de Silicone.

· Adesivo de contato.

· 3 Válvulas de Pneu de bicicleta. (Pino)

· Termostato com aquecedor automático, 100 W.

· Caixa organizadora 45L.

· Câmara de ar.

Perfurou-se as tampas de cada garrafa na espessura necessária para que introduzisse as válvulas e selou-as nas respectivas tampas com auxílio de veda rosca, cola silicone e adesivo de contato (Figura 1). Em seguida, instalou-se os registros em uma das extremidades das mangueiras e alocou as outras extremidades às válvulas anteriormente coladas às tampas.

A fim de garantir a vedação completa da tampa, utilizou-se de uma camada de borracha entre a superfície da tampa e do pino.

Os reatores foram construídos buscando evitar qualquer circunstância que permitisse contato do ar atmosférico com o ambiente interno das garrafas, para que as condições favorecessem o processo de biodigestão anaeróbia.

2.1. Preparação do Substrato

Afim de manter a melhor condição do substrato, foi realizado uma relação da porcentagem de sólidos no resíduo de alimento e no lodo inoculador, oriundo de um biodigestor da empresa FANIA, presente em Itajubá – MG, para que o substrato final inoculado permanecesse com uma porcentagem de sólidos totais próximo a 12. Para tanto, através de metodologias convencionais realizou-se análise de sólidos totais das amostras e obteve-se a porcentagem necessária para permitir condições de maior eficiência na biodigestão e maior número de resíduo degradado.

Em seguida, preparou-se 3,5 litros de substrato com as relações adquiridas anteriormente, com 16,8 % referente ao resíduo de alimento e 83,2% ao lodo inoculador. Após triturado e diluído, o substrato foi inserido aos reatores sendo 1 litro para cada recipiente, e o restante utilizado para realização das análises físicas e químicas. Com o auxílio do veda rosca e durepoxi, realizou-se o selamento das garrafas a fim de proporcionar condição favorável à metanização (Figura 2).

Após concluído a montagem dos reatores, levou-se os mesmos para uma caixa contendo água a 35ºC. No mesmo local, os reatores permaneceram até o fim do processo. A figura 3 apresenta uma imagem contendo os biodigestores e o aparato experimental do presente trabalho.

Após concluída a montagem do biodigestor iniciou-se a etapa das análises físico químicas da amostra. A seguir estão listadas todas as análises desenvolvidas.

· pH

· Demanda Química de Oxigênio (DQO)

· Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO)

· Nitrogênio Total (NT)

· Sólidos Totais (ST)

· Sólidos Totais Fixos (STF)

· Sólidos Voláteis (SV)

Tais procedimentos, foram realizados no Laboratório de análises físico químicas da Universidade Federal de Itajubá, tomando como referência a literatura de Greenberg (2005). As análises realizadas são caracterizadas como análises de entradas, ou seja, análises físico químicas do substrato anterior à biodigestão. Os mesmos procedimentos laboratoriais foram repetidos após a metanizaçao a fim de observar o comportamento de cada parâmetro antes e depois do experimento. Durante 4 meses no qual o substrato sofreu a biodigestão foram realizadas 5 medições do biogás produzido, sendo 4 delas realizadas no primeiro mês, e a 5º realizada no último dia de funcionamento do biodigestor. As medidas foram analisadas de acordo com a disponibilidade do proprietário do aparelho multianalisador de gases (Landtec GEM5000) com medidas de gás disponível de CH₄, CO₂, O_2, H₂S e CO além da pressão interna do reator, visto que a universidade atualmente não possui esse medidor em funcionamento. Após obtidos os dados, constou-se uma concentração de metano abaixo do esperado, sendo inapropriada a realização do cálculo energético. Com o objetivo de se obter o potencial energético do restaurante, optou-se por fazer uma estimativa energética teórica do resíduo analisado.

2.1. Estimativa do potencial energético teórico do restaurante

Com base em dados de trabalhos já realizados, como uma dissertação de mestrado da Universidade Federal de Minas Gerais, na qual avaliou-se um sistema de metanização de resíduos alimentares, foi possível estimar alguns dados como a eficiência de redução da DQO em 70%, valor no qual em condições favoráveis encontra-se entre 60% a 80% e a eficiência do motor em 33%, que segunda a Associação Brasileira de Biogás e Biometano varia de 30% a 40%.

Segundo CHERNICHARO (2007), a partir da estimativa de degradação de DQO no reator é possível estimar a produção de metano. Assim, de acordo com a equação a seguir e conhecendo a DQO inicial do substrato e o quanto reduziu no decorrer do tempo, é possível relacionar com a produção de metano durante a degradação.

Sendo cada 16 gramas de CH₄ produzido e retirado da fase líquida correspondente a remoção de 64g de DQO do despejo. Nas condições normais de temperatura e pressão isso corresponde a 350 milímetro de CH₄ para cada grama de DQO degradada. Assim, para determinar a produção teórica de metano utilizou-se das equações a seguir conforme consultado na literatura, onde : DQO_total = DQO total do resíduo [kg/d], V_res = Volume de resíduo produzido por dia [m³/d], DQO_incial = DQO do substrato inicialmente [kg/L], DQOrem = DQO removida durante a degradação [kg/d], Ered = Eficiência de redução da DQO [70%], QCH4 = Quantidade de Mmetano produzida a partir da degradação da DQO [m³/d] e fp = Fator de produção de metano em m³ por kg de DQO removida [0,35 kg/m³}.

DQO_total= V_res x DQO_incial (2)

DQO_rem = DQO_total x E_red (3)

Q_CH4 = DQO_rem x fp (4)

Após estimado a produção de metano, foi possível através da equação 8 estimar a potência gerada a partir do biogás produzido.

Sendo:

n: Eficiência do motor [33%].

PCI_ch4: Importar imagen: Poder Calorífico Inferior do Metano [kJ/m³].

Assim, foi possível comparar a potência teórica estimada com o gasto energético do restaurante.

3. Resultados e discussões

3.1. Dados do experimento

Após encerrado as medições percebeu-se uma produção de metano extremamente inferior ao esperado em consonância com concentrações indesejadas dos outros gases. Na Tabela 1 é possível perceber a variação da concentração dos diferentes gases e da pressão interna de cada reator.

É importante observar a parcela de O₂ elevada, próxima a porcentagem de oxigénio no ar atmosférico. Essa condição pode ser devido a presença de rupturas no reator, permitindo a infiltração de ar prejudicando o processo de degradação anaeróbia. Esse fato, explica a baixa porcentagem de metano produzida além da variação da temperatura ocorrida por quedas constantes de energia no local de armazenamento do reator durante o processo.

Na Tabela 2 está apresentado os dados do reator 2 o qual apresentou algumas semelhanças com os demais.

Como visto anteriormente na figura 1 a qual mostra o biodigestor estudado, os 3 reatores foram aquecidos da mesma maneira, por isso as quedas de temperatura ocorridas, prejudicaram o processo dos 3 reatores. Assim a justificativa para baixa concentração de metano é a mesma para ambos os reatores. O que difere do reator 1 e 2 é a menor porcentagem de O₂ no interior do reator. Essa condição provocou maior atividade metabólica assim como maior concentração dos gases como o H₂S, o qual foi mais significativo no reator 2.

No reator 3 mostrado na figura 3, as mesmas condições de irregularidades foram observadas, justificando sua baixa produção de metano, sendo até mesmo incapaz de ser determinada na ultima medição.

Conforme justificado anteriormente, durante o período de biodigestão constou-se irregularidades na vedação dos reatores causando infiltração do ar atmosférico nos biodigestores impossibilitando o processo completo de metanização. Entende-se que a presença de oxigênio dentro dos reatores tenha criado condições favoráveis para dispersão de bactérias aeróbias, causando assim, intensa disputa entre os microrganismos pela biomassa ali presente, tornando a metanização restrita explicando assim a baixa produção de metano e elevada concentração de oxigênio, semelhante as condições atmosféricas. O processo biológico de degradação anaeróbia da matéria orgânica é composto por um sensível ecossistema microbiológico, de processos metabólicos complexos. Um consórcio de microrganismos, interdependes, busca o equilíbrio ambiental da biocenose anaeróbia, de maneira sintrófica e dinâmica (FERREIRA, 2015). Assim o experimento ficou sujeito a condições capazes de prejudicar a biodigestão anaeróbia, pois além do ambiente aeróbio provocado pela entrada de ar atmosférico no reator, o biodigestor sofreu com quedas de temperatura durante os meses de janeiro e fevereiro, devido a falhas no sistema de fonte de energia. A alternância de temperatura influencia no metabolismo das bactérias metanogênicas, visto que o processo de metanização mesofílico possue maior eficiente em temperaturas elevadas, em torno de 37ºC. Logo é possível relacionar a baixa produção de CH₄ com a queda de temperatura e a presença de oxigênio no ambiente de degradação. As análises físicas e químicas de entrada e saída mostradas a seguir são compatíveis com as possíveis respostas para a baixa produção de CH₄.

Na Tabela 4 é possível perceber as análises físicas e químicas de entrada, as quais foram realizadas antes de introduzir o substrato nos reatores.

Essas análises são de grande importância para que se estime posteriormente o potencial de geração de energia elétrica a partir da redução da DQO. A variação dos demais parâmetros estão diretamente relacionadas a eficiência da biodigestão.

A seguir, está representado na Tabela 5 as análises de saída, as quais foram determinadas após a abertura do reator.

É importante observar a redução considerável de alguns parâmetros como DQO e ST, os quais representam uma significativa eficiência da degradação da matéria orgânica presente no substrato.

3.2. Estimativa teórica

Com base na produção diária de resíduos do restaurante de 30 litros por dia durante a semana, e 40 litros por dia nos finais de semana e feriados , somado as condições teóricas adotas assim como uma DQO inicial medida de 10893 mg/L, obteve-se uma produção de 65,65 litros por dia de CH₄ durante a semana e 87,54 litros por dia de CH₄ nos fins de semanas e feriados. Considerando uma concentração de metano em torno de 60% no biogás, estima-se que os 40% restantes se refere aos outros gases medidos como CO₂, H₂S e umidade. Com base no biogás estimado, foi possível analisar seu potencial energético a fim de comparar a disponibilidade energética gerada pela biodigestão anaeróbia dos resíduos de alimento, com a potência consumida pelo restaurante em análise. Assim, considerando uma produção diária de biogás, a potência [kW] gerada por um motor de eficiência igual a 33% com funcionamento constante durante o mês é de 8,926 kW durante as semanas e 11,903 kW em fins de semanas e feriados. Com o biogás estimado diariamente, e considerando um funcionamento do motor de 24h pode dia seria possível disponibilizar uma energia mensal média de 6.569,86 kWh, capaz de suprimir a necessidade elétrica do restaurante além de gerar um crédito energético no valor de R$1.841,85, considerando um consumo médio do restaurante de 4029,2 kWh além de um custo de R$0,72497 por kWh.

4. Considerações finais

A partir das informações obtidas com o desenvolvimento do presente trabalho, informações como, potencial de geração de metano e energia elétrica e capacidade de degradação da matéria orgânica auxiliam futuras pesquisas a estimar e estudar a metanização de resíduos orgânicos. Essas informações são de grande importância, visto que a produção de resíduo no Brasil e o descarte inapropriado de grande parte desse resíduo são significante e apresentam grande potencial de geração de renda além da amenização dos impactos ambientais e sociais.

O aproveitamento energético a partir da biodigestão anaeróbia de resíduos de alimentos se mostra atualmente como um nobre método de reutilização do lixo orgânico, o qual representa atualmente cerca de 51,4 % do resíduo produzido no Brasil. Assim, encontrou-se nesse trabalho informações teóricas capazes de confirmar a eficiência do método de aproveitamento energético. Os dados adquiridos experimentalmente como Demanda Química de Oxigênio (DQO), Sólidos Totais (ST), foram afetados por erros durante o processo, destacando-se a infiltração de gás atmosférico dentro do reator, causando assim disputa entre os microrganismos pela biomassa disponível e a alternância na temperatura, provocando queda no metabolismo das bactérias responsáveis pela produção de CH₄, diminuindo assim sua eficiência. Portanto os dados referentes a produção de biogás e seu potencial energético foram teóricos e apresentaram valores satisfatórios, como uma produção de 65,65 litros por dia de CH₄ durante a semana e 87,54 litros por dia de CH₄ nos fins de semanas e feriados, disponibilizando assim uma potência de 8,926 kW durante as semanas e 11,903 kW em fins de semanas e feriados, além de um crédito energético R$1.841,85. Dessa forma, o método estudado para reaproveitar o resíduo produzido se mostrou eficiente ao analisa-lo teoricamente, enfatizando sua importância nos métodos de energia alternativa além da possibilidade de uso agrônomo a partir da sobra do processo, dispositivo altamente abordado nos dias atuais. Sabendo-se da grande quantidade de material orgânico descartado de maneira incorreta, causando inúmeros transtornos ambientais, sociais e econômicos, a metanização como forma de tratamento desses resíduos ocupa uma considerável colocação ao se estudar maneiras de amenizar esses impactos. No que se diz respeito ao aproveitamento acadêmico após encerrada a pesquisa, pode-se considerar uma admirável oportunidade de se aprofundar profissionalmente no meio científico e acadêmico, abrindo caminhos para futuras descobertas capazes de disponibilizar à sociedade benefícios que venham auxiliar na melhoria da qualidade de vida e maior igualdade entre os povos.

Por fim, sugere-se futuramente a replicação do experimento a fim de identificar condições em que se possa obter a maior eficiência do processo, tanto na produção de metano quanto na redução da matéria orgânica, atentando aos fatores que possam prejudicar o procedimento.

Agradecimentos

Agradeço a todos os colaboradores, que de forma gratificante auxiliaram na realização desse trabalho, em especial a Universidade Federal de Itajubá, instituição fornecedora do Laboratório de Resíduos Sólidos, Hidrogeologia e Qualidade da Água (LABRES), em consonância com a FAPEMIG, órgão financiador, os quais auxiliaram técnica e economicamente na realização da pesquisa.

Referências

Brasil coleta 193,5 toneladas de resíduos sólidos/dia. Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada, São Paulo, 26 de abr. de 2012. Disponível em: http://www.ipea.gov.br/portal/index.php?option=com_content&view=article&id=13932. Acesso em: 21/02/2019.

Brasil. Lei nº 12.305 de 2 de agosto de 2010. Política Nacional de Resíduos Sólidos, Brasília, DF, Ago 2010. Disponível em: http://www.planalto.gov.br/ccivil_03/_Ato2007-2010/2010/Lei/L12305.htm. Acesso em: 21/02/2019.

Ferreira, Bernardo Ornelas. "Avaliação de um sistema de metanização de resíduos alimentares com vistas ao aproveitamento energético do biogás." Escola de Engenharia, UFMG, Belo Horizonte (2015).