UNIVERSIDADE DE SO PAULO USP Programa Interunidades de Ps-Graduao em Energia PIPGE IMPLANTAO DE UMA UNIDADE DEMONSTRATIVA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA A PARTIR DO BIOGS DE TRATAMENTO DO ESGOTO RESIDENCIAL DA USP ESTUDO DE CASO Vanessa Pecora So Paulo 2006 VANESSA PECORA IMPLANTAO DE UMA UNIDADE DEMONSTRATIVA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA A PARTIR DO BIOGS DE TRATAMENTO DO ESGOTO RESIDENCIAL DA USP ESTUDO DE CASO Dissertao apresentada ao Programa Interunidades de Ps-Graduao em Energia da Universidade de So Paulo (Instituto de Eletrotcnica e Energia / Escola Politcnica / Instituto de Fsica / Faculdade de Economia e Administrao) para obteno do ttulo de Mestre em Energia. Orientao: Prof. Dr. Jos Roberto Moreira So Paulo 2006 AUTORIZOAREPRODUOEDIVULGAOTOTALOUPARCIALDESTE TRABALHO,PORQUALQUERMEIOCONVENCIONALOUELETRNICO,PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE . FICHA CATALOGRFICA Pecora, Vanessa. Implementao de uma Unidade Demonstrativa de Gerao de Energia Eltrica a partir do Biogs de Tratamento do Esgoto Residencial da USP : estudo de caso /. Vanessa Pecora ; orientadorJos Roberto Moreira. So Paulo, 2006. 152 p. : il.; 30cm.

Dissertao (Mestrado Programa Interunidades dePs-Graduaoem Energia) EP / FEA / IEE / IF daUniversidade de So Paulo.

1. Digesto anaerbia 2.Biogs 3. fontes alternativas de energia I.Ttulo. DEDICATRIA Dedico este trabalho aos meus pais, pela oportunidade que me deram para chegar at aqui. AGRADECIMENTOS Ao meu orientador, Prof. Dr. Jos Roberto Moreira, pela dedicao. A Profa. Dra. Suani Teixeira Coelho, pela oportunidade. Aos colegas do CENBIO, pela colaborao. Aos amigos, pelo incentivo. A minha famlia, pelo companheirismo, pacincia e compreenso.

Tenha equilbrio e alegria. Saiba ser reconhecido. Procure ser humilde. Saiba agradecer. Minutos de Sabedoria RESUMO PECORA, V. Implantao de uma Unidade Demonstrativa de Gerao de Energia Eltrica apartirdoBiogsdeTratamentodoEsgotoResidencialdaUSPEstudodeCaso.2006. 152p.DissertaodeMestradoProgramaInterunidadesdePs-GraduaoemEnergiada Universidade de So Paulo - PIPGE. Alternativasenergticaspormeiodefontesrenovveisdeenergiatmsidoobjetodepesquisas no mundo inteiro. Diminuir a dependncia dos combustveis fsseis, alm de encontrar solues ambientalmentesustentveisparacolaborarcomamatrizenergticadospasesereduziros impactosglobaisprovocadospelaqueimadosmesmos,justificamotemadestetrabalho.Foram desenvolvidasduasmetasdemonstrativaspertencentesaoprojetoProgramadeUsoRacionalde EnergiaeFontesAlternativas(PUREFA),quetiveramcomoobjetivoacaptaodobiogs provenientedotratamentodoesgotodoConjuntoResidencialdaUniversidadedeSoPaulo (CRUSP), sua purificao e armazenamento, para posterior gerao de energia eltrica, utilizando como tecnologia de conversoenergticaummotor ciclo Otto. Esta experincia a base parao desenvolvimento deste trabalho incluindo a implementao da unidade piloto instalada no Centro Tecnolgico de Hidrulica (CTH) da USP e a anlise dos resultados. Palavras-chaves: digesto anaerbia, biogs, energia renovvel. ABSTRACT PECORA,V.ImplementationofaDemonstrativeUnitforPowerGenerationTrough BiogasDerivedfromResidentialSewageTreatmentatUniversityofSoPauloCase Study. 2006. 152 p. Masters Dissertation Interunits Post Graduation Program on Energy of the University of So Paulo - PIPGE. Energyalternatives,bymeansofrenewablesourcesofenergy,hasbeentheobjectofmany researchesallovertheworld.Tolessenthedependenceonfossilfuels,besidesfinding environmentallysustainable solutionstocollaborate with theenergymatrix of the countries and to reduce the global impacts caused by the burning of fossil fuels justify the theme of this work. Thisdissertationisbasedon2demonstrativegoalsbelongingtotheprojectProgramforthe RationalUseofEnergyandAlternativeSources(PUREFA),whichaimedatthecollectionof biogas deriving from the sewage treatment of the Residential Complex of Sao Paulo University - USP(CRUSP),itspurificationandstorage,forlaterpowergeneration,makinguseofanOtto cycleengineasenergyconversiontechnology.Thisexperienceisthefoundationforthe developmentofthiswork,includingtheimplementationofthepilotunitinstalledinthe Hydraulics Technological Center (CTH) of USP and the results analysis. Key-words: anaerobic digestion, biogas, renewable energy. LISTA DE TABELAS Tabela 1. Produtos finais do processo de degradao anaerbia............................................ 25 Tabela 2. Concentraes e fator de inibio do processo de fermentao. ............................ 26 Tabela 3: Propriedades fsicas do metano, gs carbnico e gs sulfdrico............................. 28 Tabela 4. Equivalncia energtica de 1 Nm3 de biogs ............................................................ 30 Tabela5.Nmerodedistritoscomtratamentodeesgotosanitrioportipodesistemade tratamento. ................................................................................................................................... 33 Tabela6.Resultadospreliminaresdodesempenhodebiodigestoresmodeloindianoe chins, com capacidade de 5,5 m3 de biomassa, operados com esterco bovino...................... 39 Tabela 7. Relao entre a vazo de biogs consumido pela microturbina e a energia eltrica gerada pela mesma. ..................................................................................................................... 56 Tabela 8. Relao entre a vazo de biogs consumida pela microturbina e a energia eltrica lquida entregue rede [microturbina (compressor + secador a + secador b)].................. 57 Tabela9.Custodosequipamentos,materiaiseacessriosparaageraodeenergia eltrica, a partir do biogs de tratamento de esgoto, utilizando uma microturbina de 30 kW........................................................................................................................................................ 58 Tabela10.Relaoentreavazodebiogsconsumidopelogrupo-geradoreaenergia eltrica gerada pelo mesmo......................................................................................................... 60 Tabela11.Custodosequipamentos,materiaiseacessriosparaageraodeenergia eltrica,apartirdobiogsdetratamentodeesgoto,utilizandoumagrupogeradorde30 kW. ................................................................................................................................................ 61 Tabela 12. Manuteno preventiva da microturbina............................................................... 65 Tabela 13. Manuteno preventiva dos componentes do sistema de limpeza do biogs para a microturbina. ............................................................................................................................... 66 Tabela 14. Manuteno preventiva do grupo-gerador............................................................. 68 Tabela 15. Comparao das emisses entre as tecnologias de converso............................... 86 Tabela 16. Nveis de carboxihemoglobina e efeitos relacionados sade. ............................. 88 Tabela 17. Resultado da primeira anlise fsico-qumica do biogs. ...................................... 97 Tabela 18. Resultado da segunda anlise fsico-qumica do biogs. ....................................... 98 Tabela 19. Resultado da anlise do efluente antes do seu tratamento no biodigestor. ......... 99 Tabela 20. Resultado da anlise do efluente aps seu tratamento no biodigestor............... 100 Tabela 21. Descrio dos equipamentos da instalao........................................................... 102 Tabela 22. Anlise fsico-qumica do biogs antes do sistema de purificao...................... 106 Tabela 23. Anlise fsico-qumica do biogs aps o sistema de purificao. ........................ 106 Tabela 24. Clculo terico do volume de biogs gerado. ....................................................... 109 Tabela 25. Valores utilizados para clculos. ........................................................................... 110 Tabela 26. Descrio dos equipamentos da instalao........................................................... 112 Tabela 27. Resultado das anlises dos gases de exausto do grupo motor-gerador. ........... 117 Tabela28.Anlisedosgasesdeexaustodogrupomotor-geradordoprojetoENERG-BIOG, instalado na Sabesp de Barueri.................................................................................... 118 Tabela29.Comparaodosresultadosdasanlisesdosgasesdeexaustodosprojetos ENERG-BIOG e PUREFA. ...................................................................................................... 119 Tabela 30. Custo dos equipamentos......................................................................................... 120 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Fluxograma do processo de decomposio anaerbia. ............................................ 23 Figura 2. Relao entre o poder calorfico do biogs e porcentagem em volume de metano........................................................................................................................................................ 28 Figura 3. Peso especfico do biogs (faixa de concentrao-40 a 100% de ch4). .................... 29 Figura 4. Vista frontal, em corte, do biodigestor modelo indiano. ......................................... 35 Figura 5. Vista tridimensional do biodigestor modelo indiano. .............................................. 35 Figura 6. Vista frontal, em corte, do biodigestor modelo chins............................................. 37 Figura 7. Vista tridimensional do biodigestor modelo chins. ................................................ 37 Figura 8. Biodigestor modelo rafa. ............................................................................................ 39 Figura 9. Turbina a gs............................................................................................................... 41 Figura 10. Esquemas de turbinas ciclo brayton. ...................................................................... 42 Figura 11. Diagrama simplificado do ciclo brayton. ................................................................ 42 Figura 12. Componentes do sistema da microturbina. ............................................................ 44 Figura 13. Representao esquemtica do funcionamento de um motor diesel. ................... 45 Figura 14. Desenho esquemtico do funcionamento de um motor otto.................................. 46 Figura 15. Instalao do projeto ENERG-BIOG. .................................................................... 54 Figura 16. Consumo especfico da microturbina. ..................................................................... 55 Figura 17. Aumento da temperatura global.............................................................................. 75 Figura 18. Aumento da concentrao de CO2, CH4 e N2O. ..................................................... 76 Figura 19. Aumento no nvel do mar nos ltimos 300 anos. .................................................... 77 Figura 20. Principais fontes antropognicas de metano e suas contribuies. ...................... 83 Figura 21. Simulao anual global do aumento da temperatura. ........................................... 84 Figura 22. Biodigestor modelo uasb existente no CTH............................................................ 92 Figura 23. Sistema de pr-tratamento do esgoto. ..................................................................... 93 Figura 24. Caixa de areia. ........................................................................................................... 93 Figura 25. Calha parshall. .......................................................................................................... 94 Figura 26. Tanque de acumulao do esgoto. ........................................................................... 94 Figura 27. Bomba que leva o efluente para o biodigestor........................................................ 95 Figura 28. Fotos da coleta do biogs para anlises realizadas pela COMGAS. .................... 96 Figura 29. Alongamento da seco de captao do biogs. ..................................................... 97 Figura 30. Primeiro fluxograma da instalao dos equipamentos........................................ 102 Figura 31. Fotos da tubulao de biogs instalada................................................................. 103 Figura 32. Selo hidrulico. ........................................................................................................ 104 Figura 33. Fotos do sistema de purificao do biogs. ........................................................... 105 Figura 34. Fotos da instalao do abrigo para o medidor de vazo de biogs. ................... 107 Figura 35. Totalizador da vazo de biogs instalado no abrigo de madeira........................ 107 Figura 36. Hormetro. ............................................................................................................... 108 Figura 37. Fluxograma atual da instalao dos equipamentos. ............................................ 111 Figura 38. Fotos da construo em alvenaria para abrigo dos equipamentos..................... 113 Figura 39. Fotos do medidor de presso manmetro em U. ............................................... 113 Figura 40. Grupo motor-gerador. ............................................................................................ 115 Figura 41. Fotos do medidor e totalizador de vazo de biogs instalados no abrigo. ......... 115 Figura 42. Fotos do gasmetro: armazenador de biogs. ...................................................... 116 Figura 43. Grupo motor-gerador com painel de teste............................................................ 116 Figura 44. Painel de comando do grupo motor-gerador........................................................ 117 SUMRIO 1. INTRODUO....................................................................................................................... 15 2. ESTADO DA ARTE DO BIOGS ........................................................................................ 18 2.1 HISTRICO DO BIOGS ......................................................................................................... 18 2.2 FORMAO DO BIOGS ........................................................................................................ 20 2.2.1 Aspectos Microbiolgicos............................................................................................. 20 2.2.1.1 Fatores que Influenciam a Gerao de Biogs ...................................................... 24 2.2.2 Aspectos Fsico-Qumicos ............................................................................................ 26 3. ASPECTOS TCNICOS........................................................................................................ 31 3.1 TECNOLOGIAS APLICADAS PRODUO DE BIOGS............................................................ 31 3.1.1 Fluxo de Tratamento .................................................................................................... 32 3.1.1.1 Biodigestor Modelo Indiano.................................................................................. 34 3.1.1.2 Biodigestor Modelo Chins................................................................................... 36 3.1.1.3 Biodigestor Modelo RAFA (Reator Anaerbio de Fluxo Ascendente) ................ 38 3.2 TECNOLOGIAS DISPONVEIS PARA CONVERSO EM ENERGIA ELTRICA .............................. 40 3.2.1 Turbinas a Gs ............................................................................................................. 41 3.2.2 Turbinas de Ciclo Brayton ........................................................................................... 41 3.2.3 Microturbinas a Gs..................................................................................................... 43 3.2.4 Motores de Combusto Interna.................................................................................... 44 3.3 COMPARAO ENTRE AS TECNOLOGIAS DE CONVERSO ..................................................... 46 3.3.1 Tecnologias Disponveis Comercialmente ................................................................... 46 4. ASPECTOS ECONMICOS................................................................................................. 48 4.1ASPECTOSECONMICOSDAPRODUO DEBIOGSEDASUAUTILIZAO NAGERAO DE ENERGIA ELTRICA.................................................................................................................... 48 4.2COMPARAOECONMICAENTREASTECNOLOGIASDECONVERSOENERGTICADO BIOGS....................................................................................................................................... 53 4.2.1 Gerao de 30 kW (ISO) com uma Microturbina ........................................................ 54 4.2.2 Gerao de 30 kW (ISO) com um Grupo Gerador....................................................... 59 4.2.3 Custo de Operao e Manuteno dos Sistemas.......................................................... 63 4.2.3.1 Custo de Operao e Manuteno da Microturbina .............................................. 63 4.2.3.2 Custo de Operao e Manuteno da Microturbina .............................................. 67 4.3 RELAO DE CUSTOS ENTRE AS TECNOLOGIAS.................................................................... 69 4.4CUSTOMDIODAENERGIAELTRICACONSUMIDAPELAETEDASABESPEMBARUERI SP............................................................................................................................................... 70 5. ASPECTOS SCIO-AMBIENTAIS..................................................................................... 72 5.1 O ESGOTO E SEUS IMPACTOS ................................................................................................ 72 5.2 ASPECTOS DA POLUIO ATMOSFRICA E SUAS INTERAES COM O MEIO AMBIENTE........ 73 5.2.1. Aquecimento Global e o Protocolo de Kyoto.............................................................. 77 5.2.1.1 Crditos de Carbono.............................................................................................. 79 5.2.1.1.1 Clculo dos Crditos de Carbono................................................................... 80 5.3 ASPECTOS AMBIENTAIS DA UTILIZAO DO BIOGS COMO FONTE DE ENERGIA.................. 81 5.4 ASPECTOS DA POLUIO ATMOSFRICA E SUAS INTERAES COM A SADE ....................... 85 5.4.1 Principais Fontes Poluidoras e seus Efeitos Sade .................................................. 87 5.5 ASPECTOS SOCIAIS DA UTILIZAO DO BIOGS COMO FONTE DE ENERGIA......................... 90 6. ESTUDO DE CASO: GERAO DE ENERGIA ELTRICA A PARTIR DO BIOGS PROVENIENTEDOTRATAMENTODEESGOTODOCONJUNTORESIDENCIAL DA USP PROJETO PUREFA................................................................................................. 91 6.1 OBJETIVOS DO PROJETO........................................................................................................ 91 6.2 SISTEMA DE TRATAMENTO DO ESGOTO DO CRUSP ............................................................. 91 6.3 METODOLOGIA ADOTADA PARA EXECUO DO PROJETO .................................................... 95 6.3.1 Primeiras Anlises Fsico-Qumicas do Biogs........................................................... 95 6.3.2 Anlise do Esgoto do CRUSP....................................................................................... 98 6.3.3 Dificuldades do Projeto.............................................................................................. 101 6.3.4 Instalao da Tubulao ............................................................................................ 103 6.3.5 Sistema de Purificao do Biogs.............................................................................. 104 6.3.5.1 Anlises Fsico-Qumicas do Biogs Antes e Aps o Sistema de Purificao.... 105 6.3.6 Pr-Instalao do Medidor de Vazo de Biogs........................................................ 106 6.3.7 Monitoramento do Esgoto .......................................................................................... 108 6.3.8 Alteraes no Projeto................................................................................................. 111 6.3.9 Construo do Abrigo para os Equipamentos ........................................................... 112 6.3.10 Monitoramento da Presso ...................................................................................... 113 6.3.11 Gasmetro: Armazenador de Biogs ....................................................................... 114 6.3.12 Grupo Motor-Gerador.............................................................................................. 114 6.3.13 Instalao Final dos Equipamentos ......................................................................... 115 6.3.14 Anlise dos Gases de Exausto do Grupo Motor-Gerador...................................... 117 6.4 COMPARAO ENTRE OS GRUPOS GERADORES DOS PROJETOS ENERG-BIOG E PUREFA118 6.5 ANLISE ECONMICADO SISTEMA ................................................................................... 119 6.6 CLCULO DOS CRDITOS DE CARBONO.............................................................................. 127 6.7 ELABORAO DE CENRIOS PARA MAIOR EFICINCIA DO PROCESSO................................ 129 7. UTILIZAO DE BIOGS COMO FONTE DE ENERGIA ELTRICA ................... 130 7.1 VANTAGENS, DESVANTAGENS E BARREIRAS EXISTENTES.................................................. 130 7.2 POLTICAS PARA IMPLEMENTAO DE ENERGIA DESCENTRALIZADA................................. 134 7.2.1 Diretrizes Polticas..................................................................................................... 134 7.2.2 Diretrizes Legislativas, Administrativas e Institucionais........................................... 135 7.2.3 Diretrizes Tecnolgicas.............................................................................................. 136 7.2.4 Diretrizes Financeiras e Fiscais................................................................................. 137 8. CONCLUSES...................................................................................................................... 138 8.1 TRABALHOS FUTUROS ........................................................................................................ 140 8.1.1 Metodologia a ser Adotada ........................................................................................ 140 9. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................................ 142 ANEXO A - FLUXO DE CAIXA DO PROJETO ENERG-BIOG.......................................... 152 1. INTRODUO Ousodabiomassacomofonterenovvelesustentveldeenergia,quercomoresduos slidosurbanos,efluentesindustriaisoucomerciaiseresduosrurais,permitediversificara matriz energtica nacional, alm de reduzir a emisso de gases efeito estufa. Agerao de resduos slidos e efluentes domsticos est diretamente relacionada com a populaourbana,seupadrodevidaehbitosdeconsumo.Acoleta,tratamentoedisposio adequadadestesresduosserefletemnaqualidadedevidadapopulaoedasguasdosriose guas subterrneas, na atividade pesqueira e nos vetores patognicos. O aterro sanitrio uma das formas de disposio de resduos slidos urbanos econmica e ambientalmente segura. Osmesmosproblemasencontradosnomanejodosresduosslidossoverificadosno manejodosresduoslquidos,quesocoletadosnasreasurbanase,namaioriadoscasos,no recebem nenhum tipo de tratamento antes de serem despejados nos cursos de gua.Com a crise do petrleo na dcada de 70 foi trazida para o Brasil a tecnologia da digesto anaerbia. Na regio nordeste foram implantados vrios programas de difuso dos biodigestores e a expectativa eragrande, pormos benefciosobtidos a partir dobiogse do biofertilizante no foramsuficientesparadarcontinuidadeaosprogramaseosresultadosnoforammuito satisfatrios (BOLETIM ENFOQUE, 1999). O grande volume de resduos, a partir dos quais possvel obter biogs, provenientes das exploraesagrcolasepecurias,assimcomoaquelesproduzidospormatadouros,destilarias, fbricas de lacticnios, esgotos domsticos e estaes de tratamento de lixos urbanos apresentam uma carga poluente elevada que impem a criao de solues que permitam diminuir os danos provocadosporessapoluio,gastandoomnimodeenergiapossvelemtodooprocesso (CENBIO, 2000a). Assim,otratamentodessesefluentespodeprocessar-seporintermdiodafermentao anaerbicaque,almdacapacidadededespoluir,permitevalorizarumprodutoenergtico,o biogs, e ainda obter um fertilizante, cuja disponibilidade contribui para uma rpida amortizao dos custos da tecnologia instalada. Existem duas situaes possveis para o aproveitamento do biogs. A primeira consiste na queimadireta(aquecedores,esquentadores,foges,caldeiras).Asegundadizrespeito conversodebiogsemeletricidade.Istosignificaqueobiogspermiteaproduodeenergia eltrica e trmica. Umdossistemasdeobtenodobiogsmaisconhecidosobiodigestorparaaplicao rural, existindo grande nmero de unidades instaladas, principalmente nos pases originrios dos modelosmaisdifundidos,ndia(comaproximadamente300mil)eaChina(commaisde8 milhes).Recentementevriosoutrospasesdocontinenteeuropeutmrealizadoprogramasde disseminao e uso de biodigestores (BOLETIM ENFOQUE, 1999) Umsistemadegeraodeenergiaapartirdobiogspossui3componentesbsicos:a captaodogs,oprocessamentoeconversodogs,quepromovealimpeza(remoode partculasemsuspensoeoutroscontaminantes)dogseoconverteemeletricidadeeo equipamentodeinterconexoqueentregaaeletricidade,apartirdagerao,aousuriofinal. (COSTA et al., 2001). Mesmo se tratando de plantas maiores de tratamento anaerbio de efluentes, esse sistema de gerao utilizado, pois o biogs necessita ser coletado e tratado, por medida de segurana e de combate poluio, devido as emisses de gases efeito estufa. Umaalternativaparaadiminuiodosimpactosambientaisprovocadospelaemisso destes gases, empregada commaior freqncia, consiste em queim-los em flare, convertendo o metano em dixido de carbono, que mesmo sendo prejudicial, quantitativamente cerca de vinte e uma vezes menos nocivo ao meio ambiente, quando comparado ao metano (CENBIO, 2000a). Objetivando verificar o desempenho de biodigestores modelo Reator Anaerbico de Fluxo Ascendente(RAFA)ouUp-flowAnaerobicSludgeBlanket(UASB),oCentroNacionalde RefernciaemBiomassa(CENBIO)comprometeu-secomaexecuodeduasmetasreferentes aoprojetoProgramadeUsoRacionaldeEnergiaeFontesAlternativas(PUREFA),quevisaa reduodoconsumodeenergiadaUniversidadedeSoPaulo,utilizandofontesrenovveisde energia.Estasmetasenvolvemacaptao,purificaoearmazenamentodobiogsgeradonum biodigestorlocalizadonoCentroTcnicoHidrulico(CTH),daEscolaPolitcnicada UniversidadedeSoPauloesuautilizaoparageraodeenergiaeltrica.Talprojetofoi financiadopelaFinanciadoradeEstudoseProjetos(FINEP)emeditalvoltadoinfra-estrutura (CT-INFRA). Esta dissertao visaavaliar o potencial degeraode energiaeltrica apartir do biogs provenientedotratamentodoesgotodoConjuntoResidencialdaUSP(CRUSP),abordandoos aspectos tcnicos, ambientais e econmicos do projeto. 2. ESTADO DA ARTE DO BIOGS 2.1 Histrico do Biogs Adatadedescobertadobiogs,ou"gsdospntanos"doanode1667(CLASSEN; LIER;STAMRS,1999)esumsculomaistardequesevoltaareconhecerapresenade metanonogsdospntanos,atribudoaAlessandroVolta,em1776.JnosculoXIX,Ulysse Grayon, aluno de Louis Pasteur, realizou a fermentao anaerbia1 de uma mistura de estrume e gua,a35C,conseguindoobter100litrosdegsporm3dematria(NOGUEIRA,1986).Em 1884,LouisPasteur,aoapresentarostrabalhosdoseualunoAcademiadasCincias, considerou que esta fermentao podia constituir uma fonte de aquecimento e iluminao. Os primeiros pases a utilizarem o processo de biodigesto, de forma mais intensa e com finalidadeenergticaforamandiaeaChina(dcadasde50e60),sendoqueessespasese outros,geralmentedoterceiromundo,desenvolveramseusprpriosmodelosdebiodigestores (NOGUEIRA, 1986). Com a crise do petrleo na dcada de 70 foi trazida para o Brasil a tecnologia da digesto anaerbia. Na regio nordeste foram implantados vrios programas de difuso dos biodigestores e a expectativa era grande, porm os benefcios obtidos a partir do biogs e do biofertilizante, no foramsuficientesparadarcontinuidadeaosprogramaseosresultadosnoforammuito satisfatrios (BOLETIM ENFOQUE, 1999). Atualmente, esse processo vem se difundindo por vrios pases. A recuperao de energia geradapelosprocessosdetratamentoanaerbiotevegrandeimpulsocomacrisedopetrleo, quando diversos pases buscaram alternativas para a sua substituio. Entretanto, como descreve Nogueira(1986),assoluesparaosproblemasdedesenvolvimentodevemserapropriadass necessidades, s capacidades e recursos humanos, aos recursosfinanceiros e cultura. Assim, o impulsorecebidonoperododecrisenochegouaconstituirumslidomovimentode substituio dos recursos no renovveis por outras fontes renovveis. Atpoucotempo,obiogserasimplesmenteconhecidocomoumsub-produtoobtidoa partir da decomposio anaerbia de lixo urbano, resduos animais e de estaes de tratamento de efluentes domsticos. No entanto, oacelerado desenvolvimento econmico dos ltimos anos e a

1 Decomposio Anaerbia: decomposio sem presena de oxignio. altaacentuadadopreodoscombustveisconvencionaistmencorajadoasinvestigaesna produodeenergiaapartirdenovasfontesrenovveiseeconomicamenteatrativas,tentando sempre que possvel, criar novas formas de produo energtica que possibilitem a poupana dos recursos naturais esgotveis. O primeiro documento relatando a coleta de biogs de um processo de digesto anaerbia ocorreu em uma estao de tratamento de efluentes municipal da Inglaterra, em 1895, sendo que oprimeiroestudodeaproveitamentoemumapequenaplanta,comusodeestrumeeoutros materiais,remontamde1941,nandia.Desdeento,oprocessoanaerbiotemevoludoese expandido ao tratamento de resduos industriais, agrcolas e municipais (ROSS; DRAKE, 1996). Villen et al. (2001) discorre sobre digesto anaerbia, salientando que na natureza existem vriosambientesfavorveisaodesenvolvimentodesseprocesso,sendorepresentadospelos pntanos, esturios, mares e lagos, usinas de carvo e jazidas petrolferas. Essessistemasanaerbiospossuemconcentraesbaixasdeoxignio,facilitandoa ocorrnciadageraodobiogs.Daobservaocasualdacombustonaturaldessegsna superfciederegiespantanosas,oserhumanotomoucinciadapossibilidadedeproduzirgs combustvel, partindo de resduos orgnicos. Posteriormente,passou-seadesenvolvereutilizaresseprocessofermentativoparao tratamentodeesgotodomstico,objetivando,principalmente,adestruiodamatriaorgnica. Isso ocorreu na metade do sculo XIX e o gs produzido era destinado iluminao. NocomeodosculoXX,ocorreunandiaenaChina,oinciododesenvolvimentode biodigestoresparaaproduodegsmetanoapartirdeestercodeanimais,principalmente bovinos. Somente a partir de 1960, a digesto anaerbia passou a ser pesquisada com carter mais cientfico,havendoento,grandesprogressosquantocompreensodosfundamentosdo processo e tambm de projetos de biodigestores e equipamentos auxiliares. SegundoChambersePotter(2002),aaplicaodadigestoanaerbianaAmricado Norteencontra-se,predominantemente,naestabilizaodolododoesgotourbanoeno tratamento anaerbio de efluentes industriais e agropecurios. 2.2 Formao do Biogs Obiogsumamisturagasosacombustvel,produzidaatravsdadigestoanaerbia, processofermentativoquetemcomofinalidadearemoodematriaorgnica,aformaode biogs e a produo de biofertilizantes ricos em nutrientes. Aproduodebiogstambmpossvelapartirdediversosresduosorgnicos,como estercosdeanimais,lododeesgoto,lixodomstico,resduosagrcolas,efluentesindustriaise plantasaquticas.Nessecaso,quandoadigestoanaerbiarealizadaembiodigestores especialmente planejados, a mistura gasosa produzida pode ser usada como combustvel, o qual, almdeseualtopodercalorfico,denoproduzirgasestxicosduranteaqueimaedeseruma tima alternativa para o aproveitamento do lixo orgnico, ainda deixa como resduo um lodo que um excelente biofertilizante. A composio tpica do biogs cerca de 60% de metano, 35% de dixido de carbono e 5%deumamisturadehidrognio,nitrognio,amnia,cidosulfdrico,monxidodecarbono, aminas volteis e oxignio (WEREKO-BROBBY; HAGEN, 2000). Dependendo da eficincia do processo,influenciadoporfatorescomopressoetemperaturaduranteafermentao,obiogs pode conter entre 40% e 80% de metano. 2.2.1 Aspectos Microbiolgicos Notratamentoanaerbiodeefluentes,apsadiminuiodaquantidadedeoxignio, comeamapredominarmicrorganismosanaerbiosfacultativos,ouseja,aquelesque preferencialmentenousamoxignionadecomposiodamatriaorgnica,podendo,porm, utiliz-lo. SegundoForesti, 1999, estas bactrias,primeiramente,convertem omaterial orgnico particuladoemcompostosdissolvidos,numprocesso,denominadohidrliseouliquefao (primeirafase).Ospolmerosorgnicos(glucdios,lipdeos,protdeos,...)detamanho consideravelmentegrandeparapenetraremnointeriordasclulasbacterianas,podemsomente ser degradados sob a ao de enzimas hidrolticas extracelulares (celulases, hemicelulases, ...). Osoligmeroseosmonmerosassimformados,detamanhosuficientementepequeno parapenetrarnointeriordasclulas,soentometabolizados.Apassagemdamembrana citoplasmtica2 se faz por duas vias: difuso passiva segundo o gradiente de concentrao ou por transporteativodasprotenasmembranceas3.Nointeriordasclulas,estessubstratosso metabolizadosemfunodoequipamentoenzimticodaclula,emcidosorgnicos,cetonas, lcoois,NH3,H2eCO2.afasedeacidificao(segundafase).Deumpontodevista bioqumico, percebe-se que a hidrlise e a fase cida constituem duas etapas distintas. Poroutrolado,microbiologicamente,verifica-sequeasbactriasnopodemsobreviver somentedafasedehidrlise,vistoquetudoacontecenoexteriordaclula.So,portanto,as mesmasbactriasquerealizamasduasfases,agrupadasporestarazoemumasfase.Estas bactriassoanaerbiasestritasoufacultativas,pormnasuamaioriasoanaerbiasestritas. Esta segunda fase se caracteriza, portanto, por ser um processo bioqumico pelo qual as bactrias obtm energia pela transformao da matria orgnica hidrolisada. Duranteestafasesoproduzidasquantidadesconsiderveisdecompostosorgnicos simplesedealtasolubilidade,principalmentecidosgraxosvolteis.Os metablitos4finaisdas bactriashidrolticasacidognicas5soexcretasdasclulaseentramemsoluonomeio.Eles passam, ento, a ser substratos das bactrias acetognicas6. As bactrias acetognicas produzem o hidrogniocomometablitoobrigatrio(emingls,denominadosOHPAObligateHydrogen Producing Acetogenic). A existncia destas bactrias foi mostrada por CUNHA, em 1967. Naterceirafase(acetognese),Asbactriasacetognicasdesempenhamumimportante papelentreaacidogneseeametanognese.Bactriasacetognicas,produtorasdehidrognio socapazesdeconvertercidosgraxoscommaisde2carbonosacidos acticos,CO2,H2que soossubstratosparaasbactriasmetanognicas.Nestafase,oefluentepossuialtaDemanda Bioqumica de Oxignio (DBO), valor usado para indicar a concentrao de matria orgnica em

2Amembranacitoplasmticaresponsvelpelaintegridadedaclula,bemcomopelaregulaodapassagemde molculasparaointeriore/ouparaoexterior.Amembranaenvolvetodoocompartimentocelularenelaso encontradasprotenaseoutrasmolculas(colesterol,porexemplo,emclulasanimais).Ocitoplasmadasclulas est frequentemente em movimento,arrastandodemodo ordenado os organitos eos materiais emsuspenso. Estes movimentos, conhecidos como correntescitoplasmticas,devem favorecer as trocas entre os diversos componentes celulares mas no certo que seja essa a sua funo principal. Fonte: http://curlygirl3.no.sapo.pt/index.htm3 Protenas membranceas: protenas das membranas celulares. 4 Metablicos: produtos do metabolismo. 5Bactriasacidognicas:bactriasresponsveispelaformaodecidosgraxosvolteisduranteadecomposio anaerbia da matria orgnica.6 Bactrias acetognicas: bactrias responsveis pela formao de acetatos, como cido actico (CH3COOH), durante a decomposio da matria orgnica. umdadovolumelquido.OsvaloresdeDBOsosuperioresa10g/l.Umoutroindicadorda quantidade de compostos orgnicos em um lquido a Demanda Qumica de Oxignio (DQO). Naquartaeltimafase,oscompostosorgnicossimplesformadosnafaseacetognica, so consumidos por bactrias estritamente anaerbias, denominadas bactrias metanognicas, que doorigemaometano(CH4)eaogscarbnico(CO2).Estasbactriasmetanognicas desenvolvem-se preferencialmente em valores de pH prximos do neutro (pH = 7,0), entre 6,8 e 7,3. O fluxograma geral do processo de decomposio anaerbio mostrado na Figura 1.UmavezestabelecidoesteequilbrionopH,qualqueracmulodecidospodeprovocar uma queda na quantidade de bactrias metanognicas, prejudicando o processo de decomposio dessa fase. Estando o pH prximo do neutro, reduz-se a solubilizao de compostos inorgnicos (IPT/CEMPRE, 2000). Enquanto o consumo dos cidos volteis simples faz o pH subir, a DBO, por sua vez, comea a baixar. Figura 1. Fluxograma do processo de decomposio anaerbia. Fonte: JUNIOR, 2000. Matria Orgnica Slida Matria Orgnica Solvel (muito diversificada) cidos Graxos Volteis cido Actico CH3COOH Fase 1 Hidrlise Fase 2 Acidognese Fase 3 Acetognese Fase 4 Metanognese Produtos Finais H2O, CO2, CH4, NH4, H2S.... 2.2.1.1 Fatores que Influenciam a Gerao de Biogs Osprodutosintermediriosdadegradaoanaerbiasooscidosgraxosvolteis (AGVs)eseusprincipaisefeitossooimpactosobreopHquandoexisteacmulodoscidos graxosvolteis,geraodepoluioglobaldafaseaquosapelasmatriasorgnicaseao complexante de certos metablitos. Quanto aos metablitos finais da degradao anaerbia, pode-se verificar os principais na Tabela 1. Tabela 1. Produtos finais do processo de degradao anaerbia. Elementos Constituintes da Matria Orgnica Produtos Finais da Biodegradao Anaerbia HH2O, H2S, CH4 CCO2, CH4 NNH4 OCO2 SS--, H2S MetaisSeus sulfetos Fonte: JUNIOR, 2000. Os principais efeitos so: a influncia do CO2, dos bicarbonatos e carbonatos sobre o pH do meio aquoso e sua capacidade cido-bsica, a possvel insolubilizao dos metais sob a forma de sulfetos muito pouco solveis, a complexao7 do cobre pelos ons NH4+ e a emisso eventual de maus odores.Resumem-seabaixoosprincipaisparmetrosdadigestoanaerbiarelacionados gerao de biogs:

a)Impermeabilidade ao ar As bactrias metanognicas so essencialmente anaerbias. A decomposio de matria orgnica na presena de ar (oxignio) ir produzir apenas dixido de carbono (CO2).

7 Complexao: atrao eletrosttica entre um on e um agente quelante, como a gua por exemplo, de modo que no h transferncia de eltrons entre estes. Fonte: http://www.ufpa.br/quimicanalitica/triticomplexacao.htm b)Natureza do substrato Ossubstratosnutritivosdevemproverasfontesdealimentoaosmicrorganismos (elementosqumicosconstituindoomaterialcelulareosnecessriossatividadesenzimticas), particularmenteosoligo-elementos8,comooclcio,magnsio,potssio,sdio,zinco,ferro, cobalto, cobre, molibdnio e mangans. Em fortes concentraes, estes elementos tm um efeito inibidorsobreoprocessodefermentao.Poroutrolado,oselementosmajoritrios(carbono, nitrognio,oxignio,fsforoeenxofre)tmumaimportnciafundamentalnorendimentodos gasesdefermentao.ATabela2mostraasconcentraesdeinibiodoprocessode fermentao. Tabela 2. Concentraes e fator de inibio do processo de fermentao. onsConcentrao (mg/L) EstimulanteInibidora FracoForte SdioNa+100 a 2003.500 a 5.5008.000 PotssioK+200 a 4002.500 a 4.50012.000 ClcioCa+100 a 2002.500 a 4.5008.000 MagnsioMg++75 a 1501.000 a 1.5003.000 NitrognioNH4+5 a 2001.500 a 3.0003.000 SulfetosS--menos de 200200 Ni++, Cr6+, Zn++, Pb++ --100 Fonte: JUNIOR, 2000. c)Composio dos resduos Quantomaioraporcentagemdematerialorgniconoresduo,maioropotencialde geraodemetanoevazodebiogs.Osprincipaisnutrientes(substrato)dosmicroorganismos so carbono, nitrognio e sais orgnicos. Uma relao especfica de carbono para nitrognio deve sermantidaentre20:1e30:1.Aprincipalfontedenitrognioestnasdejeeshumanasede

8 Oligo-elementos: elementos minerais que em fracas doses so indispensveis s reaes enzimticas. animais,enquantoospolmerospresentesnosrestosdeculturasrepresentamoprincipal fornecedordecarbono.Aproduodebiogsnobemsucedida,seapenasumafontede material for utilizada. d)Teor de gua O teor de gua dentro do biodigestor deve variar de 60 a 90% do peso do contedo total. e)Temperatura Aatividadeenzimticadasbactriasdependeestritamentedatemperatura,vistoque conhecidoquealteraesbruscasdetemperaturacausamdesequilbrionasculturasenvolvidas, principalmentenasbactriasformadorasdemetano.Emtornode10Cestaatividademuito reduzidaeacimade65Casenzimassodestrudaspelocalor.Portanto,afaixaidealparaa produodebiogsde32Ca37C(bactriasmesoflicas)ede50Ca60C(bactrias termoflicas). f)pH AconcentraoemonsOH-nomeioexteriortemumagrandeinflunciasobreo crescimentodosmicrorganismos.Nadigestoanaerbia,observam-seduasfasessucessivas:a primeira se caracteriza por uma diminuio do pH em patamares prximos de 5,0 e a segunda por um aumento do pH e sua estabilizao em valores prximos da neutralidade. A reduo do pH devida ao das bactrias acidognicas, as quais liberam rapidamente cidos graxos volteis. As bactrias metanognicas (que tm taxas de crescimento mais fracas que as primeiras) se instalam progressivamenteeinduzemaelevaodopHatravsdacatlisedocidoactico.Nocasode tratamento anaerbio em biodigestores (processos contnuos), o pH permanece neutro (pH ~ 7). 2.2.2 Aspectos Fsico-Qumicos Pode-se assumir que, sendo o biogs, basicamente metano e gs carbnico, as discusses se restringem s propriedades fsico-qumicas dos dois, uma vez que os outros gases apresentam-seemquantidadesmuitopequenas,almdedependeremdacomposiodomaterialdigerido. Apesardisso,essesgasespresentesemmenoresquantidadesinfluenciamnaescolhada tecnologiadeoperao,limpezaecombusto.ATabela3mostraalgumasdaspropriedades fsicas do metano, gs carbnico e gs sulfdrico. Tabela 3: Propriedades fsicas do metano, gs carbnico e gs sulfdrico. PropriedadeMetano (CH4)DixidodeCarbono (CO2) Gs sulfdrico (H2S) Peso Molecular16.0444.0134.08 Peso Especfico Ar=10,5551,521,189b Volume Especfico1473,3 cm3/ga 543,1 cm3/gb699,2 cm3/gb CapacidadeCalorfica, Cp, a 1 atmosfera 0,775 kcal/kgCa0,298 kcal/kgCc0,372 kcal/kgCb Relao, CP/CV1,3071,3031,320 Poder Calorfico13,268 kcal/kg0 kcal/kg4,633 kcal/kg Limitede Inflamabilidade 5-15% por volumeNenhum4-46% por volume Obs: a - 60 oC, 1 atm ; b - 70oC, 1 atm ; c - 77oC, 1 atm Fonte: ROSS et al, 1996. O principal componente do biogs, quando se pensa em utiliz-lo comocombustvel, o metano.SegundoAlves(2000),apresenadesubstnciasnocombustveisnobiogs,como gua e dixido de carbono, prejudica o processo de queima tornando-o menos eficiente uma vez que,presentesnacombustoabsorvempartedaenergiagerada.Amedidaemqueseelevaa concentraodeimpurezas,opodercalorficodobiogstorna-semenor.AFigura2mostraa relao entre o poder calorfico do biogs e a porcentagem em volume de metano presente nele. 020004000600080000 0,2 0,4 0,6 0,8% metano (v/v)Poder calorfico (kcal/m3) Figura2.Relaoentreopodercalorficodobiogseporcentagememvolumede metano. Fonte: Alves, 2000. Assimcomoosgasespuros,ascaractersticasdobiogsdependemdatemperaturaeda presso,variandocomelasecomoteordeumidade.Ofundamental,quandosetratadegases para fins de gerao de energia conhecer seu volume, seu poder calorfico e a prpria umidade. O poder calorfico do biogs bruto de cerca de 6kWh/m3 - aproximadamente meio litro de leo diesel,eodogspurificado9,5kWh/m3.Opodercalorficolquido,entretanto,dependeda eficincia dos equipamentos empregados no uso energtico do gs (COELHO et al, 2001). Outro aspecto importante a ser considerado a umidade presente no biogs, uma vez que teminflunciadiretanoprocessodecombusto,afetandoatemperaturadechama,limitesde inflamabilidade, diminuio do poder calorfico e taxa ar-combustvel do biogs. Alm da umidade, o volume de biogs, representado pelo peso especfico (relao entre a suadensidadeeadensidadedoar)outroparmetroimportantequandosedesejamanipularo gsparaarmazenamento.AFigura3mostraopesoespecficodobiogsnumafaixade concentrao de 40 a 100% de metano que o constitui. 0,50,60,70,80,911,11,240 100Concentrao de Metano, em %Peso Especfico Figura 3. Peso especfico do biogs (Faixa de concentrao-40 A 100% de CH4). Fonte: ROSS et al, 1996. UmestudofeitopordaSILVA(1983)mostrouquedeacordocomaquantidadede metanonobiogsoseupodercalorficoaumenta,poisoCO2,ooutroprodutodadigesto anaerbia,aformamaisoxidadadocarbono,nopodendosermaisqueimado.ATabela4 mostra que 1 m3 de biogs (cujo poder calorfico em mdia 5.500 kcal) equivale a: Tabela 4. Equivalncia energtica de 1 Nm3 de biogs CombustvelQuantidade equivalente a 1 Nm3 de biogs Carvo Vegetal0,8 kg Lenha1,5 kg leo Diesel0,55 L Querosene0,58 L Gasolina Amarela0,61 L GLP (Gs Liquefeito de Petrleo)0,45 L kWh1,43 lcool Carburante0,80 L Carvo Mineral0,74 kg Fonte: CARDOSO FILHO, 2001. O gs metano queima com uma chama luminosa; quando puro, para o biogs a chama no to luminosa. O biogs no txico, mas atua sobre o organismo humano, diluindo o oxignio e, como conseqncia, pode provocar a morte por asfixia. Muito estvel, no solvel em gua. A combusto do metano no libera resduos. Sob uma presso de 140 atm, o metano se liquefaz a 0 C, enquanto que outros hidrocarbonetos mais pesados (como os gases componentes do GLP propano, isobutano e butano) se liquefazem a baixas presses (o propano se liquefaz a 8,7 atm; o isobutanoa3,2atmeobutanoa2,2atm).DeacordocomdaSILVA(1983),obiogsmais denso que o ar (a densidade do biogs em relao ao ar de 0,55). 3. Aspectos Tcnicos 3.1 Tecnologias Aplicadas Produo de Biogs Oaumentodesordenadodapopulaoeodesenvolvimentodegrandesncleosurbanos sem planejamento, sobretudo nos pases em desenvolvimento, dificultamas aes demanejo de resduos.Anecessidadededisposioetratamentoreconhecida,mas,porfaltaderecursos, essasaescostumamserpostergadas,provocandoproblemasdesadenaspopulaese degradao do meio ambiente. NoBrasil,umagrandevariedadedesistemasutilizadaparaotratamentodeefluente lquido. Apesar disso, uma grande parcela dos efluentes gerados lanada diretamente nos corpos dgua sem tratamento. SegundoosdadosdaPesquisaNacionaldeSaneamentoBsicoPNSBde2000do IBGE,dos9.848distritosdopas,apenas2.079possuamalgumtipodetratamentocoletivo.A Tabela 5, a seguir, apresenta esses dados. Para o tratamento de efluentes lquidos, a digesto anaerbia representa importante papel, poisalmdepermitirareduosignificativadopotencialpoluidor,permitearecuperaoda energia na forma de biogs (FISHER et al., 1979; LUCAS JNIOR, 1998). Os digestores anaerbios, ou biodigestores, so equipamentos utilizados para digesto de matrias orgnicas. Constituem-se de uma cmara fechada, onde colocado o material orgnico, em soluo aquosa e, por meio da decomposio anaerbia, h diminuio do volume de slidos e estabilizao do lodo9 bruto (BRAILE, 1983). Em alguns casos, os biodigestores possuem uma parteinferiorcnicaparadeposiodolodo,enquantoapartesuperiorpermiteacaptaodo biogs (LEMAIRE & LEMAIRE, 1975).

9Estabilizaodolodo:reduzirseucontedoemmicroorganismospatognicoseinibi-los,reduziroueliminaro potencialdeputrefaodolodoe,consequentemente,seupotencialdeproduodeodores.Fonte: http://portalteses.cict.fiocruz.br/transf.php?script=thes_chap&id=00007105&lng=pt&nrm=iso Tabela 5. Nmero de distritos com tratamento de esgoto sanitrio por tipo de sistema de tratamento. RegioDistritos Distritos com tratamento de esgotos de acordo com o tipo de sistema de tratamento Total Com Tratamento Filtro biolgico Lodo ativado Reator anaerbico Valo de oxidao Lagoas (anaerbia, aerbia, aerada, facultativa, mista e de maturao) Fossa sptica de sistema condominial Outro Norte60734229-192- Nordeste30844079121434184595 Sudeste3115109817317879135737210 Sul234243057211479157354 Centro-Oeste 700110851927231 Brasil9848207933122729728100517120 Fonte: PNSB, IBGE, 2000. 3.1.1 Fluxo de Tratamento Aquantidadetotaldeesgotoasertratadoemumsistemafunodapopulaoeda indstrialocalaserematendidas.Ademais,devemserconsideradasasinfiltraesdeguade chuvaedolenolfretico.Ovolumedeesgotoproduzidoporanopodesercontroladopelas vazesobtidasnosmedidoresinstaladosempontosdeterminadosdosistema,especialmentena entrada das estaes de tratamento. O processo de tratamento do esgoto pode adotar diferentes tecnologias para depurao do efluente,mas,demodogeral,segueumfluxoquecompreendeasseguintesetapas(INFORME INFRA-ESTRUTURA, 1997): Preliminar remoo de slidos grandes e areia para proteger as demais unidades de tratamento,osdispositivosdetransporte(bombasetubulaes)eoscorposreceptores.A remoo da areia previne, ainda, a ocorrncia de abraso nos equipamentos e tubulaes e facilita otransportedoslquidos.Ascaixasdeareiasofeitascomousodegradesqueimpedema passagem de trapos, papis, pedaos de madeira, etc.; e os tanques de areia servem para retirada de leos e graxas em casos de esgoto industrial com alto teor destas substncias. Primrioosesgotosaindacontmslidosemsuspensodeportepequenocuja remoopodeserfeitaemunidadesdesedimentao,reduzindoaquantidadedematria orgnicacontidanoefluente.Osslidossedimentveiseflutuantessoretiradospormeiode mecanismosfsicos,viadecantadores.Osesgotosfluemvagarosamentepelosdecantadores, permitindo que os slidos em suspenso de maior densidade sedimentem gradualmente no fundo, formandoolodoprimriobruto.Osmateriaisflutuantescomograxaseleos,demenor densidade, so removidos na superfcie. A eliminao mdia da DBO, nesta fase, de 30%. Secundrio ocorre, principalmente, a remoo de slidos e de matria orgnica no sedimentvele,eventualmente,nutrientescomonitrognioefsforo.Apsasfasesprimariae secundaria, a reduo da DBO deve alcanar 90%. a etapa da remoo biolgica dos poluentes esuaeficinciapermiteproduzirumefluenteemconformidadecomopadrodelanamento previstonalegislaoambiental.Basicamente,soreproduzidososfenmenosnaturaisde estabilizaodamatriaorgnicaqueocorremnocorporeceptor,sendoqueadiferenaestna maior velocidade do processo, na necessidade de utilizao de uma rea menor e na evoluo do tratamento em condies controladas. Tercirioremoodepoluentestxicosounobiodegradveisoueliminao adicional de poluentes no degradados na fase secundaria. Astecnologiasdetratamentodeefluentesnadamaissoqueoaperfeioamentodo processodedepuraodanatureza,buscandoreduzirseutempodeduraoeaumentarsua capacidade de absoro, com consumo mnimo de recursos em instalaes e operao e o melhor resultadoemtermosdequalidadedoefluentelanado,semdeixardeconsideraradimensoda populao a ser atendida. Quanto escolha do modelo e do tamanho ideal de biodigestor, levado em considerao, entre outras variveis, o tipo da matria orgnica de entrada, caractersticas como a DBO e DQO, ascondieslocaisdosolo,capitalecustodemanuteno,altaeficinciacompatibilizadacom custoseoperacionalidade,necessidadeenergticadapropriedadeedisponibilidadedematria-prima10. A seguir so apresentados alguns tipos de biodigestores mais utilizados.

10 Professor Doutor Elso Vitoratto, informao verbal. 3.1.1.1 Biodigestor Modelo Indiano Este modelo de biodigestor caracteriza-se por possuir uma campnula como gasmetro, a qualpodeestarmergulhadasobreabiomassaemfermentaoouemumselodguaexterno,e umaparedecentralquedivideotanquedefermentaoemduascmaras.Afunodaparede divisria faz com que o material circule por todo o interior da cmara de fermentao. O modelo Indiano possui presso de operao constante, ou seja, medida que o volume degsproduzidonoconsumidodeimediato,ogasmetrotendeadeslocar-severticalmente, aumentandoovolumedeste,portanto,mantmapressoemseuinteriorconstante (DEGANUTTI et. al., 2002). O fato do gasmetro estar disposto ou sobre o substrato ou sobre o selo dgua,reduz as perdas durante o processo de produo de gs. OresduoutilizadoparaalimentarobiodigestorIndiano,deveapresentaruma concentrao de ST (slidos totais) no superior a 8%, para facilitar a circulao do resduo pelo interior da cmara de fermentao e evitar entupimentos dos canos de entrada e sada do material (DEGANUTTIet.al,2002).Oabastecimentodevesercontnuo,ouseja,geralmente alimentadopordejetosbovinose/ousunos,queapresentamumacertaregularidadenoseu fornecimento. Dopontodevistaconstrutivo,apresenta-sedefcilconstruo,contudoogasmetrode metal pode encarecer o custo final, e tambm a distncia da propriedade onde o resduo se forma pode dificultar e encarecer o transporte ao biodigestor, inviabilizando a implantao deste modelo de biodigestor. AFigura4mostraavistafrontal,emcorte,dobiodigestormodeloIndiano.Afigura5 representa o biodigestor tridimensionalmente, em corte, mostrando todo seu interior. Figura 4. Vista frontal, em corte, do biodigestor modelo Indiano. Fonte: BENINCASA et al., 1990. Figura 5. Vista tridimensional do biodigestor modelo Indiano. Fonte: DEGANUTTI et. al, 2002. 3.1.1.2 Biodigestor Modelo Chins Obiodigestormodelochinsformadoporumacmaracilndricaemalvenariapara fermentao,comtetoimpermevel,destinadoaoarmazenamentodobiogs.Estebiodigestor funciona com base no princpio deprensa hidrulica,demodo queaumentos de presso em seu interior,devidoaoacmulodebiogs,resultaroemdeslocamentosdoefluentedacmarade fermentaoparaacaixadesada,eemsentidocontrarioquandoocorredescompresso (BENINCASA et al., 1990). O modelo Chins constitudo quase que totalmente em alvenaria, dispensando o uso de gasmetroemchapadeao,reduzindooscustos,contudopodeocorrerproblemascom vazamento de biogs, caso a estrutura no seja bem vedada e impermeabilizada. Neste tipo de biodigestor, uma parcela de gs formado na caixa de sada libertada para a atmosfera,reduzindoparcialmenteapressointernadogs.Porestemotivoasconstruesde biodigestoresmodelo Chins no so utilizadas para instalaes degrande porte (DEGANUTTI et. al, 2002). SemelhanteaomodeloIndiano,osubstratodeveserfornecidocontinuamente,coma concentrao de ST em torno de 8%, para evitar entupimentos do sistema de entrada e facilitar a circulao do material (DEGANUTTI et. al, 2002). A Figura 6 mostra a vista frontal, em corte, do biodigestor modelo Chins. Na figura 7, a representao tridimensional mostra todo o interior do biodigestor. Figura 6. Vista frontal, em corte, do biodigestor modelo Chins. Fonte: BENINCASA et al., 1990. Figura 7. Vista tridimensional do biodigestor modelo Chins. Fonte: DEGANUTTI et. al, 2002. Emtermoscomparativos,osmodelosIndianoeChins,apresentamdesempenho semelhante,apesardomodeloIndianoterapresentado,emdeterminadosexperimentos,maior eficinciaquantoaproduodebiogsereduodeslidosnosubstrato,conformemostraa Tabela 6. Tabela 6. Resultados preliminares do desempenho de biodigestores modelo Indiano e Chins, com capacidade de 5,5 m3 de biomassa, operados com esterco bovino. Biodigestor ChinsIndiano Reduo de Slidos (%)3738 Produo Mdia de Biogs (m3/dia) 2,73,0 Produo Mdia de Substrato (1m-3) 489538 Fonte: JNIOR, 1987. 3.1.1.3 Biodigestor Modelo RAFA (Reator Anaerbio de Fluxo Ascendente) O biodigestormodelo RAFA (Figura 8), cuja sigla original UASB (Up-flow Anaerobic SludgeBlanket)foidesenvolvidoporLettinga.umbiodigestorcomretenointernadelodo, comaincorporaodeumseparadordiferenteparaosslidossuspensoseparaogs (LETTINGA et al., 1980). Figura 8. Biodigestor modelo RAFA. Fonte: Adaptao de VITORATTO, 2004. Essebiodigestor,decertaforma,revolucionouareadetratamentodeefluentes,pois passouaoferecermuitasvantagensqueatentonosetinha,comobaixocustooperacional, baixo consumo de energia, maior estabilidade do processo, entre outras (HIRATA et al., 1986). Estetipodebiodigestorvemsendoempregadoparaotratamentodeesgotodomstico. Sua eficincia tem sido demonstrada para esgoto bruto, tanto temperatura controlada (VIEIRA et al., 1987) quanto sem controle de temperatura (BARBOSA, 1988). O princpio do biodigestor RAFA baseia-se no fluxo ascendente do efluente a ser tratado, o qual alimentado pelo fundo do reator e atravessa um leito de biomassa ativa, sendo descartado aps passar por um sistema de placas defletorascolocadas no topodo biodigestor,separando as fases lquida, slida e gasosa. Odecantadorinternopermitequeaspartculasdelodoretornemzonadedigesto, assegurandootempoderetenoadequadadeslidoseaobtenodealtasconcentraesde lodo anaerbio no biodigestor. Decantador Afluente Efluente Gs Manta de Lodo Leito de Lodo ObiodigestorRAFA,dotadodeumsistemaapropriadodedistribuiodavazode alimentao,dispensaarecirculaodoefluenteparafinsdefluidificao,poisocontato necessrio entre a gua residual e o lodo eficiente, uma vez que o prprio gs gerado no seio da manta de lodo suficiente para manter o lodo fluidizado e garantir um bom nvel de mistura. O volume deste tipo de biodigestor, em relao a outros, sensivelmente menor, o que o tornaextremamenteeficiente,emvirtudedaretenodolodoporperodoslongos(semanas, mesesouatmesmoanos),enquantoqueotempoderetenodapartelquidapodeserbaixo (horas). ParaodimensionamentodeumbiodigestormodeloRAFA,emprega-seosseguintes parmetros (VITORATTO, 2004): Carga Orgnica Aplicada: Para despejos concentrados valor mximo de 6 a 8 kg DQO/m3dia Para despejos com baixa concentrao, em torno de 1,5 kg DQO/m3dia Altura do Biodigestor: Para despejos concentrados mxima altura de 5 a 6 m Para despejos com baixa concentrao de 3 a 4 m A distribuio de fundo do biodigestor deve ser a mais uniforme: Para despejos com alta concentrao 7 a 10 m2 Para despejos com baixa concentrao 1 a 3 m2 Sada do Lquido: A sada do lquido ocorre pela parte superior, fluxo ascendente e deve ser a mais uniforme possvel. Recomenda-se vertedores regulveis para o ajuste do fluxo do lquido. 3.2 Tecnologias Disponveis para Converso em Energia Eltrica Existemdiversastecnologiasparaefetuaraconversoenergticadobiogs.Entende-se porconversoenergticaoprocessoquetransformaumtipodeenergiaemoutro.Nocasodo biogsaenergiaqumicacontidaemsuasmolculasconvertidaemenergiamecnicaporum processodecombustocontrolada.Essaenergiamecnicaativaumgeradorqueaconverteem energia eltrica. Obiogspoderserutilizado,tambm,naqueimadiretaemcaldeirasparacogerao. Pode-se mencionar o surgimento de tecnologias promissoras, porm, no comerciais atualmente, como o da clula combustvel, enquanto que as turbinas a gs e os motores de combusto interna do tipo ciclo Otto, so as tecnologias mais utilizadas para esse tipo de converso energtica. 3.2.1 Turbinas a Gs Turbinasags(Figura9)parageraoestacionriaforamdesenvolvidasapartirdas turbinas usadas em aviao, onde o fludo o gs da cmara de combusto. So compostas de um compressor de ar, cmara de combusto e turbina. O compressor acionado pela prpria turbina. Na turbina a gs estacionria, o dimensionamento feito para que os gases de exausto da turbina saiam em velocidade baixa, aumentando a gerao de energia da turbina e, portanto, gerando um excedente de energia para o gerador. H modelos adaptados para a gerao com biogs como os da Solar Turbines e do Grupo Caterpillar (WYLEN, 1995). Figura 9. Turbina a gs. Fonte: SOLAR TURBINES, 2005. 3.2.2 Turbinas de Ciclo Brayton O ciclo Brayton (Figura 10), de turbina a gs, vem se tornando um mtodo cada vez mais utilizadoparageraodeenergia.Nestetipodemquina,oaratmosfricocontinuamente succionadopelocompressor,ondecomprimidoparaaltapresso.Oarcomprimidoentrana cmaradecombusto(oucombustor),misturadoaocombustveleocorreacombusto, resultandoemgasescomaltatemperatura.Osgasesprovenientesdacombustoseexpandem atravsdaturbinaesedescarregamnaatmosfera.Partedotrabalhodesenvolvidonaturbina usadoparaacionarocompressor,orestanteutilizadoparaacionarumgeradoreltricoouum dispositivo mecnico. Os dois esquemas de turbinas ciclo Brayton so apresentados na Figura 10. A Figura 11 mostra o diagrama simplificado do Ciclo Brayton. Ciclo Brayton aberto e simplesCiclo Brayton com cogerao Figura 10. Esquemas de turbinas Ciclo Brayton. Fonte: SERVICE ENERGY, 2005. Figura 11. Diagrama simplificado do Ciclo Brayton. Fonte: SCHECHTMAN e CECCHI, 1994. 2 1 3 4 2 P1 P2 4 T S 4Cmara de Combusto Combustvel Atmosfera Compressor Turbina Gerador Ar 123Gerador Eltrico EstetipodeciclochamadodecicloBraytonsimpleseaberto,existindovariaesque so mostradas adiante. O rendimento trmico do ciclo Brayton de aproximadamente 35%, mas, atualmente,existemturbinasqueatingemumrendimentode41,9%.Acogeraonesteciclo obtida atravs da adio ao ciclo de uma caldeira de recuperao de calor. Neste caso, os gases de exausto da turbina so direcionados para a caldeira, demodo a gerar vapor. Este vapor ento utilizado no processo industrial. 3.2.3 Microturbinas a Gs Asmicroturbinassopequenasturbinasdecombustoqueoperamnafaixade20a250 kW, com elevadas velocidades de rotao e com diversos tipos de combustvel, como gs natural, biogs,GLP(gsliquefeitodepetrleo),gsdepoosdepetrleoeplataformasoffshore, diesel/gas oil e querosene. Nas microturbinas o ar aspirado e forado para o interior da turbina a alta velocidade e altapresso.Oarmisturadoaocombustvelequeimadonacmaradecombusto,ondeo processodequeimacontroladoparaseobteramximaeficinciaebaixosnveisdeemisso. Os gases produzidos na queima sofrem expanso nas palhetas da turbina, produzindo trabalho. Os gasesnoaproveitadossoexauridosparaaatmosfera.AFigura12mostraoscomponentesdo sistema de uma microturbina. Figura 12. Componentes do sistema da microturbina. Fonte: MONTEIRO, 2004. 3.2.4 Motores de Combusto Interna Em1867,NikolausAugustOtto,umengenheiroalemo,desenvolveuocicloOttode quatro tempos, que largamente utilizado em transportes at nos dias de hoje. O motor a diesel surgiu em 1892 com outro engenheiro alemo, Rudolph Diesel. O motor adieselprojetadoparasermaispesadoemaispotentedoqueosmotoresagasolinaeutiliza leo como combustvel. Eles so usados em mquinas pesadas, locomotivas, navios e em alguns automveis. A Figura 13 representa esquematicamente o funcionamento de um motor diesel. Controlador de potncia Microturbina Entrada de ar Exausto Painel de controle 0-30; 0-60 kW 400-480 VAC/DC Entrada de combustvel Figura 13. Representao esquemtica do funcionamento de um motor diesel. Fonte: DANTE, 2003. Somotoresqueseaproximamdociclodecombustointernadaignioporcentelha. Seurendimentofunoapenasdarelaodecompresso(WYLEN,1995).Aplicam-setanto para gerao de energia eltrica, pelo acoplamento de um gerador ao motor, quanto gerao de energia mecnica, que pode ser empregada no acionamento de bomba hidrulica, compressor ou veculo. A diferena bsica entre o ciclo Otto e o Diesel est na forma em que ocorre a combusto. NocicloDiesel,acombustoocorrepelacompressodocombustvelnacmaradecombusto, enquanto no ciclo Otto, a combusto ocorre pela exploso do combustvel atravs de uma fagulha na cmara de combusto. O ciclo Otto consiste em expanso/resfriamento adiabtico, seguido de resfriamentoavolumeconstante,aquecimento/compressoadiabticoeaquecimentoavolume constante.Avlvuladeentradadearabrenotempoprecisoparapermitiraentradadear (misturadoaocombustvel)nocilindro.Aveladignionamisturanocilindro,oquecriaa exploso. A fora daexploso transferida aopisto. O pisto desce e sobe em ummovimento peridico.Aforadopistotransferidaatravsdamanivelaparaoeixodetransmisso.A Figura 14 mostra o funcionamento de um motor ciclo Otto. Figura 14. Desenho esquemtico do funcionamento de um motor Otto. Fonte: BERTULANI, 2002. 3.3 Comparao entre as Tecnologias de Converso 3.3.1 Tecnologias Disponveis Comercialmente a)Motores a Gs Potncia de 30 kW 20 MW Rendimento com biogs em torno de 30 a 34% Emisses de NOx: Menores que 3.000 ppm (EPA, 1994) Motores com baixa emisso: menores que 250 ppm b)Motores Diesel: Biogs + Diesel Rendimento de converso eltrica em torno de 30 a 35% Necessidade de diesel com baixo teor de enxofre Emisso de NOx: Mdia em torno de 27 ppm c)Turbinas a Gs para Biogs de Pequeno Mdio Porte Potncia de 500 kW 150 MW Rendimento em torno de 20 a 30% Emisses de NOx: Mdia em torno de 35 a 50 ppm d)Microturbinas (CAPSTONES) Potncia de 30 kW 100 kW Rendimento em torno de 24 a 28% Emisses de NOx: Menores que 9 ppm Paraaconversoenergticadobiogs,osmotorespossuemmaioreficincia.Jas turbinasagspossuemmaioreficinciaglobaldeconverso,quandooperadasemcogerao (calor e eletricidade).

4. ASPECTOS ECONMICOS 4.1 Aspectos Econmicos da Produo de Biogs e da sua Utilizao na Gerao de Energia Eltrica SegundoLima(2005)oconsumodeenergiaemumsistemadetratamentodeefluente lquido ocorre na construo e na operao do sistema. Durante a construo, gasta-se energia nas diversasetapasdaexecuodaobra:terraplanagem,concretagem,transportedematerial.Na operao do sistema utiliza-se energia nos equipamentos eltricos, para o bombeamento, aerao e no transporte de lodo para recirculao. O processo anaerbio pode funcionar semanecessidade deequipamentos que produzem agitaonobiodigestor.Sendoassim,oefluenteforadoaatravessarolodo,apenasporum sistema de bombeamento. Astecnologiasutilizadasnoprocessodetratamentodeefluenteslquidosdevemser analisadastomando-secomobasedeterminadosparmetrosdefinidospelosprincpiosde sustentabilidadesobopontodevistaeconmico,socialeambiental.Comocadaindicadorde sustentabilidadedependedeumasriedefatoresparticulares,optou-seporanalis-los separadamente. A relao apresentada a seguir defini os parmetros selecionados para avaliao e comparao das tecnologias (ENGENHARIA & PROJETOS, 2001): reaocupadapelaETE(EstaodeTratamentodeEfluente)esteparmetro dependedavazonominalasertratadaedatecnologiaempregadaparaotratamento.Para comparaodastecnologiasquantoreaocupadapelaETEconvenienteanalisararelao entre a rea necessria e o nmero de habitantes atendidos. Desta forma, ao se comparar dois ou maisprocessosdetratamento,sermaisvivelaquelequeapresentaromenorvalorparaessa relao ocupada pela ETE; Custodeimplantaodeve-seconsiderarque,namaioriadasvezes,osrecursos financeirosdisponveissolimitados,principalmenteemalgumasregiesbrasileiras.Assim, quantomaisbaixoocusto,maiorseraoportunidadedeimplantao.Ocustovariadeacordo com a tecnologia escolhida, o grau de automao desejado, a vazo tratada e a eficincia desejada para o tratamento. Para quantificar esse parmetro deve-se estabelecer a relao entre o custo e o numero de habitantes atendidos; Potnciainstaladaapotnciainstaladadeumsistemadetratamentodeefluente lquido funo do tipo de tecnologia escolhida, da carga orgnica dos esgotos a serem tratados e davazonominaldosistema.Outrosfatorescomoaproduoetipodetratamentodoslodos geradospelosistemasoimportantes.Paraavaliaonumricadesteparmetrodeve-se estabelecerarelaoentreapotnciadosequipamentosmecnicosinstaladoseonumerode habitantes atendidos; Consumo de energia o consumo de energia eltrica fator de grande importncia no custo operacional do sistema. Depende da potncia instalada e do perodo de funcionamento dos equipamentos. A avaliao deste parmetro deve ser feita pela relao entre o consumo anual de energia eltrica e o numero de habitantes atendidos; Produodelodoconstitui-senumdosfatoresdemaiorimportncianoscustosde operaodosistema.Dependefundamentalmentedotipodetecnologiaempregada,dacarga orgnica,graudeeficinciadesejadoevazotratada.Deveseravaliadopelarelaoentrea massa de slidos produzida e o numero de habitantes atendidos; Remoodenutrientesapresenadenutrientescomonitrognioefsforonos esgotostratadospodeconstituir-seemfatordegrandeimportncianaeutrofizao11doscorpos dguareceptores.Suaremoogeralmentefeitaemunidadesdetratamentocomplementares doprocessoouatravsdeestratgiasoperacionaisespecficasparaessafinalidadee,assim, constitu-seumfatorinterferentenoscustosdeimplantaoeoperaodosistema.Deveser avaliado individualmente para cada parmetro, classificando-se como alta, remoes superiores a 80%; mdia, entre 50 e 80% e baixa, para valores inferiores a 50%; SimplicidadeoperacionalfundamentalparaobomfuncionamentodaETEqueo sistemasejadefciloperao,manutenoecontrole.Asimplicidadeoperacionaldependeda tecnologiaempregadanotratamentoedosequipamentosincorporadosnosistema.Emgeral, quanto maior a automao na operao do sistema, menor o risco. Deve-se ressaltar que o grau de

11Processoquefavoreceocrescimentodedeterminadasespciesvegetais,incluindoalgaseinfestantes,pelo enriquecimentodaguaemnutrientes,especialmenteazotoefsforo,resultantedacontaminaodeorigem industrial e agrcola, com efeitos negativos sobre o equilbrio dos ecossistemas (diminuio dos nveis de oxignio e dopHdasguas;emsituaesextremas,podehaverperdadafauna,floraedaqualidadedaguaparaconsumo humano). Fonte: http://www.confagri.pt/Ambiente/Glossario/ automaodeETEestdiretamenterelacionadoaosrecursosfinanceirosdisponveisparaasua construo; VidatilavidatildeumaETEdependedamanuteno,dafiscalizaodo processoconstrutivoedavariaodascondiesambientaisinterferentes.Esteparmetro avaliado pelo nmero de anos em que a estao de tratamento cumpre com a eficincia necessria vazo de efluente lquido gerado pela populao atendida. SegundoJohanssonetal.(1993),oscustosoperacionaisparaproduodebiogsnuma planta UASB, de mdio porte, situam-se entre US$ 0,03 e US$ 0,05 Nm3 para plantas de grande porte esses custos podem baixar para cerca de US$ 0,02/m3. Paraageraodeenergiaeltricaapartirdebiogs,oprimeirofatoreconmicoaser analisadoodautilizaodeumgscombustveldebaixocusto,umavezqueobiogsum subproduto de um processo de digesto anaerbia e que normalmentedesprezado, ora emitido diretamentenaatmosferaagravandooimpactoambientalpormeiodaemissodegasesefeito estufa, ora pela queima em flares para minimizar o impacto ambiental. O biogs pode ser utilizado como combustvel tanto em unidades de tratamento anaerbio deefluentes,comoematerrossanitrios,apresentandodiferentesperspectivasparacadaum dessessegmentos.Noprimeirocaso,esteinsumopodecontribuirsensivelmenteparaa diminuio do consumo de eletricidade em ETEs, otimizando o uso dos recursos naturais, dada a estreitarelaoexistenteentreageraodeeletricidadeeosrecursoshdricosnacionais.Vale ressaltar,porm,queovolumedebiogsgeradonotratamentoanaerbionopermiteaauto-suficincia da operao da ETE (COELHO et. al., 2003b). Nosegundocaso,ovolumedebiogsgeradopodepermitir,almdaauto-suficincia energtica, a gerao de excedentes que podem ser comercializados, proporcionando uma receita adicional.Porm,paraisso,necessrioqueosaterrostenhamumaestruturaadequadae condiesparaacomercializaodosexcedentesgerados,permitindoatrativastaxasderetorno frente aos investimentos (COELHO et. al., 2004c). O custo de produo da eletricidade com aproveitamento do biogs composto do capital investido na construo e manuteno do biodigestor e do sistema de converso energtica. A quantidade de biogs gerado depende de determinados fatores, dentre eles, o tempo de funcionamentodobiodigestor,sobcondiesadequadasdeoperaoemanuteno.Obiogs produzidopodeserutilizadodiretamentenosistemadeconversoenergtica,ouento,ser armazenado em um gasmetro antes de alimentar o sistema. Vale ressaltar que h necessidade de purific-lo antes de converte-lo em energia eltrica. Quanto menor for o tempo anual de operao do biodigestor, maior ser o custo de gerao de energia eltrica, aumentando, com isso, o tempo de retorno do investimento. Para os clculos abaixo, pode-se utilizar uma taxa de desconto de 16,22%12, a qual seria a taxausualdefinanciamentodogovernofederalparaosetoreltrico.OsgastoscomO&M (Operao e Manuteno) durante o ano representam cerca de 4% do investimento total (SOUZA et. al., 2004). Por meio da tarifa de energia paga pela ETE, possvel obter o tempo de retorno do investimento. O custo de produo de energia eltrica via biogs dado por:

PECAB CAGCe+= (1) Em que Ce custo de energia eltrica produzida via biogs (R$/kWh) CAB gasto anual com biogs (R$/ano) CAG custo anualizado do investimento no sistema de converso energtica (R$/ano) PE produo de eletricidade pela planta de biogs (kWh/ano) Onde, OM CIG FRC CIG CAG + = (2) CNB CB CAB = (3)

Em que CIG custo do investimento do sistema de converso energtica (R$)

12 Utiliza-se como base para essa taxa de desconto a remunerao de um ttulo pblico brasileiro (15,75% lastreado pela SELIC) + um spread de 3% pelos riscos inerentes a esse tipo de projeto. Normalmente, no segmento energtico, essa a taxa requerida de retorno para a inverso de capital em projetos de escala pequena. OM porcentagem de custo de operao e manuteno em relao ao investimento total (%/ano) CB custo do biogs (R$/m3) CNB consumo de biogs pelo sistema de converso energtica (m3/ano) A PE ( capacidade de produo de eletricidade) dada por: F Pot PE =(4) Onde, Pot potncia nominal da planta (kW) Ffatordecapacidade,considerandoaquantidademdiadeeletricidadequepodeser geradaemumano,divididopelaeletricidadegeradaseaplantaoperasseoanotodoa plena capacidade O fator de recuperao de capital dado por:

( )( ) 1 111 ++ = nnJJ JFRC(5) Onde, FRC fator de recuperao de capital J taxa de desconto (% ano) n = tempo de vida til da planta O custo do biogs dado por:

PABCAICB =(6)

Onde, CAI custo anualizado do investimento no biodigestor (R$/ano) PAB produo anual de biogs (m3/ano) OM CIB FRC CIB CAI + = (7) Onde, CIB custo de investimento no biodigestor (R$) Paraseverificaraviabilidadedegeraodeenergiaeltrica,determina-seotempode retorno simples do investimento (TRI):

EEECIGTRI =(8)

Em que: CIG custo do investimento do sistema de converso energtica (R$) EEE economia de energia eltrica na ETE (R$/ano) TRI tempo de retorno de investimento (ms) CEEPE GEEEEE= (9) Onde: GEE gastos com energia eltrica na ETE (R$/ms) PE produo de eletricidade pela planta de biogs (kWh/ano) CEE consumo de energia eltrica na ETE (kWh/ms) 4.2 Comparao Econmica entre as Tecnologias de Converso Energtica do Biogs Para comparao entre as tecnologias pode-se citar o projeto ENERG-BIOG Instalao e Testes de uma Unidade de Demonstrao de Gerao de Energia Eltrica a partir de Biogs de TratamentodeEsgoto,desenvolvidopeloCENBIO,financiadopelaFINEP(Financiadorade EstudoseProjetos)/CTENERG,medianteconvnion23.01.0653.00,epelaSABESP (Companhia de Saneamento Bsico do Estado de So Paulo). O referido projeto (Figura 15), pioneiro na Amrica Latina, visou analisar a performance demicroturbinasemotorescicloOttoparageraodeenergiaeltricacombiogsea possibilidade de utilizao destas tecnologias em outras ETEs do Estado de So Paulo. Para isso, cercade20m3/hdobiogsproduzidonaETEdaSABESP,emBarueriSP,alimentauma microturbina e um grupo gerador (ciclo Otto), em paralelo, ambos de 30 kW. Figura 15. Instalao do projeto ENERG-BIOG. Fonte: CENBIO, 2004e. Osgruposgeradorespossuemcustosdeimplementao,operaoemanuteno inferiores aos das turbinas e microturbinas, de 350,00 a 1.500,00 US$/kW instalado e de 3.000,00 a4.000,00US$/kWinstalado(CENBIO,2004e),respectivamente.Issosedevesdiferenas entrecadatipodetecnologia(componentesinternos,tipodematerial,princpiode funcionamento,etc.),bemcomosuasespecificaesdeoperao(presso,temperatura, composio especfica dogs, etc.) e manuteno (peridica, preventiva, corretiva e vida til do equipamento). 4.2.1 Gerao de 30 kW (ISO) com uma Microturbina Consumo especfico do biogs Durante os testes de desempenho da microturbina, verificou-se que o consumo especfico de biogs variava em funo da potncia exigida pelo equipamento. A Figura 16 mostra os dados coletados. Consumo Especfico da Microturbinay = 1,5653x - 4,30980510152025300 5 10 15 20 25Vazo (m3/h)Energia Eltrica Gerada (kWh) Figura 16. Consumo especfico da microturbina. Fonte: CENBIO, 2006i. Sendoassim,torna-sepossvelverificaropadrodeconsumoespecificomdioda microturbina,queseencontranaTabela7,bemcomoarelaoentreavazodebiogs consumido pela microturbina e a energia eltrica lquida entregue rede (Tabela 8). Tabela 7. Relao entre a vazo de biogs consumido pela microturbina e a energia eltrica gerada pela mesma. R1 = m3/kW Mnima0,7985 Mxima1,6641 Mdia0,9871 Fonte: CENBIO, 2006i. Onde, R1=relaoempricaentreavazodebiogsconsumidopelamicroturbina(m3/h)ea energia eltrica gerada pela mesma (kWh). Tabela 8. Relao entre a vazo de biogs consumida pela microturbina e a energia eltrica lquida entregue rede [Microturbina (Compressor + Secador A + Secador B)]. R1 = m3/kW Mnima1,2181 Mxima1,7367 Mdia1,5525 Fonte: CENBIO, 2006i Onde, R1=relaoempricaentreavazodebiogsconsumidopelamicroturbina(m3/h)ea energiaeltricalquidaentreguerede(kWh),ouseja,aenergiageradapelamicroturbina, descontando-seaenergiaconsumidapelosistemadecompressoepurificaodobiogs, compostos pelos dois secadores por refrigerao e o compressor. Energia eltrica lquida A energia eltrica lquida entregue pelo sistema deve levar em conta a energia gerada pela microturbina,descontando-seaenergiaeltricaconsumidapelocompressorepelosdois secadores do biogs por refrigerao. Dessa forma, tem-se que: Meem Mdia da energia eltrica gerada pela microturbina por hora = 25,0 kWh; MeeccMdiadaenergiaeltricaconsumidapelocompressorporhora=4,45 kWh; MeecsAMdiadaenergiaeltricaconsumidapelosecadorAporhora=0,65 kWh; MeecsBMdiadaenergiaeltricaconsumidapelosecadorBporhora=0,40 kWh. Assimsendo,torna-sepossvelcalcularaenergiaeltricalquidaentregueredepelo sistema: Energia eltrica lquida entregue rede (kWh) = ( ) MeecsB MeecsA Meecc Meem + + (10)Energia eltrica lquida entregue rede (kWh) = 25 (4,45 + 0,65 + 0,40) Energia eltrica lquida entregue rede (kWh) = 19,5 kWh Anlise econmica Paraoinciodaavaliaodosdadosobtidosduranteoprojeto,consideramosavidatil damicroturbinaem40.000horas,deacordocomseufabricante.ATabela9mostraoscustos comosequipamentos,materiaiseacessriosrealmentenecessriosparaageraodeenergia eltricaapartirdobiogsdetratamentodeesgoto,utilizandoumamicroturbinade30kWde potncia nominal. No foram considerados os custos com automao e monitoramento. Tabela 9. Custo dos equipamentos, materiais e acessrios para a gerao de energia eltrica, a partir do biogs de tratamento de esgoto, utilizando uma microturbina de 30 kW. EquipamentosModeloQuant.Custo (R$)* Microturbina de 30 kW a BiogsC3301109.756,10 Compressor de PalhetasV04G124.630,30 Secador por RefrigeraoCRD023013.800,00 Secador por RefrigeraoCRD005511.600,00 Filtro CoalescenteCF003632.400,00 Filtro de Carvo AtivadoCF00361800,00 TubulaoAo inox20 m1.800,00 Vlvulas esferaAo inox6720,00 ConexesAo inox7140,00 Tubulao de exausto com isolamento trmicoAo carb.4 m2.400 Obra civilConcreto18 m23.000,00 Investimento total em equipamentos151.046,40 (*) Os preos acima descritos foram baseados no Dlar comercial de venda do dia 01/04/2002 (1 US$ = 2,2935 R$) e no incluem IPI. Fonte: CENBIO, 2006i. Depossedocustototaldeinvestimentoemequipamentos,pode-secalculararelaode custo por kW instalado. ( )Instalada Potnciaos equipament em total to InvestimenkW R R = / $2(11) ( )3040 , 046 . 151/ $2= kW R R 88 , 034 . 52 = R R$/kW Foiconsideradoqueamicroturbinatempotnciade30kWnascondiesISO,ouseja, presso de 1 atmosfera (nvel do mar) e temperatura de 15 C. No caso da microturbina instalada naETEdaSABESP,emBarueri,deve-seconsiderarasvariaesdepressoetemperatura, fatores que causam perda no rendimento do equipamento, reduzindo a potncia mxima a 28 kW. A energia eltricamdiagerada pela microturbina foi considerada sendo25 kWh por hora, pois 90% de carga a faixa de melhor rendimento do equipamento. Para isso estamos admitindo que a turbinaoperasemparadasduranteoanotodo(oquepodeserumahipteseotimista)Porm, tambmdeveserlevadoemcontaque,paraaoperaoadequadadamicroturbina,torna-se necessriaautilizaodosistemadepurificaoecompressodobiogs,queincluem equipamentos como os secadores por refrigerao e o compressor, que consomem energia eltrica emmdia5,5kWhporhora.Sendoassim,aenergiaeltricalquidaentregueredede19,5 kWh por hora. Portanto, a partir da anlise tcnica e admitindo-se trs cenrios, tem-se que: Energia eltrica horria gerada pela microturbina (Eg): Mnima: 23 kWh Mxima: 28 kWh Mdia: 25 kWh Energia eltrica horria consumida pelos dois secadores e pelo compressor (Ec): Mnima: 4,5 kWh Mxima: 6,5 kWh Mdia: 5,5 kWh Combasenessesdadosfoipossvelcalcularaenergiaeltricalquidahorria(E.E.L.) entregue rede: Ec Eg L E E = . . .(12) 5 , 5 25 . . . = L E E5 , 19 . . . = L E EkWh Com base nesses clculos, surge uma nova relao de custo pelo kW instalado: ( )Instalada Potnciaos equipament em total to InvestimenkW R R = / $'2 (13) ( )5 , 1940 , 046 . 151/ $'2= kW R R 97 , 745 . 7'2 = R R$/kW 4.2.2 Gerao de 30 kW (ISO) com um Grupo Gerador Consumo especfico do biogs A Tabela 10 apresenta a vazo de biogs consumido pelo grupo gerador e a energia eltrica gerada pelo mesmo. Tabela 10. Relao entre a vazo de biogs consumido pelo grupo-gerador e a energia eltrica gerada pelo mesmo. R1 = m3/kW Mnima0,3 Mxima0,5 Mdia0,4 Fonte: CENBIO, 2006i. Onde, R1=relaoemprica,deacordocomofabricantedoequipamento,entreavazode biogs consumido pelo grupo gerador (m3/h) e a energia eltrica gerada pelo mesmo (kWh). Energia eltrica lquida A energia eltrica lquida entregue pelo sistema levou em conta a energia gerada pelo grupo gerador, descontando-se somente a perda na eficincia do equipamento devido variao de presso e temperatura, fatores estes que acabam reduzindo a capacidade horria de gerao de energia mxima para um valor entre 25 e 28 kWh. Anlise econmica Para a avaliao do custo de gerao com um grupo gerador foi considerada a vida til do equipamento de 5.000 horas, deacordo com seufabricante. Os custos totais com equipamentos, materiaiseacessriosforamdeR$24.680,00(Tabela11).Noforamconsideradososcustos com automao e monitoramento. Tabela 11. Custo dos equipamentos, materiais e acessrios para a gerao de energia eltrica, a partir do biogs de tratamento de esgoto, utilizando uma grupo gerador de 30 kW. EquipamentosModeloQuant.Custo (R$)* Grupo gerador de 30 kW a BiogsTriernet121.200,00 TubulaoAo inox4 m360,00 Vlvulas esferaAo inox2240,00 ConexesAo inox480,00 Tubulao de exausto com isolamento trmicoAo carb.3 m1.800,00 Obra civilConcreto6 m21.000,00 Investimento total em equipamentos24.680,00 (*) Os preos acima descritos foram baseados no Dlar comercial de venda do dia 01/04/2002 (1 US$ = 2,2935 R$) e no incluem IPI. Fonte: CENBIO, 2006i. De posse do custo total de investimento em equipamentos, pde-se calcular a relao de custo pelo kW instalado: ( )Instalada Potnciaos equipament em total to InvestimenkW R R = / $3 (14)

( )3000 , 680 . 24/ $3= kW R R 67 , 8223 = R R$/kW Outrofatorconsideradoqueogrupogeradortempotnciade30kWnascondies estabelecidas pelo seu fabricante, ou seja, presso de 1 atmosfera (nvel do mar) e temperatura de 20C.NocasodogrupogeradorinstaladonaETEdaSABESP,emBarueri,tambmse considerouumavariaodepressoetemperatura,fatoresestesquecausamumaperdano rendimento do equipamento, reduzindo a potncia lquida a valores entre 25 e 28 kW. Com base nessa afirmao, surgiu uma nova relao de custo pelo kW instalado: ( )Gerada Potnciaos equipament em total to InvestimenkW R R = / $'3 (15)

( )2500 , 680 . 24/ $'3= kW R R 20 , 987'3 = R R$/kW O tempo de vida til do grupo gerador equivale a 1/8 do da vida til da microturbina. Isso implica, por uma questo de equivalncia, a correo das relaes de custo pelo kW instalado de 8vezes.Contudo,orecondicionamentodogrupogeradorequivalea1/3docustoinicial, enquantoquenocasodamicroturbina,atrocadocorpodaturbinarepresentaumvalor semelhante ao do investimento inicial. Para um regime de 40.000 horas de operao, no caso do motor,foiconsideradouminvestimentoinicialdeR$24.680,00(TE)mais7vezesovalordo recondicionamentodomotor(RE).OValorPresentedessesgastosobtidoconsiderandoque cadarecondicionamentofeitoaps4.000horas(meioano)e,portantoocustodecada recondicionamentotrazidoaoanoinicialconsiderandoataxadejurossuposta(16,22%a.a.) aplicada a cada investimento em valor que represente o nmero de anos aps o qual feito (para meio ano assumimos taxa de 7,80% (JS): ( )Instalada PotnciaJSREJSREJSREJSRETEkW R R

++ +

++

++

++=7 3 241001100110011001/ $

(16)

( )3010080 , 7167 , 226 . 810080 , 7167 , 226 . 810080 , 7167 , 226 . 810080 , 7167 , 226 . 800 , 680 . 24/ $7 3 24

++ +

++

++

++=

kW R R ( )3063 , 125 . 43 00 , 680 . 24/ $4+= kW R R 19 , 260 . 24 = R R$/kW ( )Gerada PotnciaJSREJSREJSREJSRETEkW R R

++ +

++

++

++=7 3 2'41001100110011001/ $

(17) ( )2510080 , 7167 , 226 . 810080 , 7167 , 226 . 810080 , 7167 , 226 . 810080 , 7167 , 226 . 800 , 680 . 24/ $7 3 24

++ +

++

++

++=

kW R R ( )2563 , 125 . 43 00 , 680 . 24/ $'4+= kW R R 23 , 712 . 2'4 = RR$/kW 4.2.3 Custo de Operao e Manuteno dos Sistemas Paraolevantamentodoscustosdeoperaoemanutenofoinecessriocomputaros custosde operao, referentes aosgastos com a mo deobra paraoperar o sistema e o custo do combustvelnecessrio.Oscustosdemanutenosoreferentesaosgastoscomsubstituiode filtros, injetores e qualquer outro tipo de componente. Emambososcasosanalisados,oscustosdemo-de-obraecombustvelforam consideradosnulos.Noseatribuiuvaloresmo-de-obraparaoperao,umavezqueessa atividadefoiincorporadarotinadetrabalhojexistentenaplanta,nosendonecessriaa contrataodenovosfuncionrios.Ocustodocombustvelfoiconsideradonuloemfunoda disponibilidade de biogs na ETE da SABESP, em Barueri, tendo em vista que o gs gerado um subproduto do processo anaerbio de tratamento de esgoto na estao. 4.2.3.1 Custo de Operao e Manuteno da Microturbina Paraolevantamentodoscustosdemanutenodamicroturbina,foramconsideradosos padresindicadosnoManualdeServios,fornecidopelofabricante,eseusrespectivos indicadoresdeinspeo,intervalosdemanutenoetrocadecomponentes.Oscustos relacionadosaositenslistadosnaTabela12,fornecidospelaENEDIS,representantede microturbinasnaAmricaLatina,consideramoscustosindividuaisdoscomponentes,impostos com importao, despesas alfandegrias e impostos locais. Tabela 12. Manuteno preventiva da microturbina. MICROTURBINA Componente Inspeo e intervalo Manuteno e intervalo Custo O&M* Custo O&M* (vida til do equipamento)** Filtro de ar da Turbina Limpeza a cada 6 meses ou 4.000 horas Troca a cada 8.000 horas R$ 317,88R$ 1.035,51 Filtro de admisso de combustvel (sistema interno de gs) Limpeza a cada 6 meses ou 4.000 horas Inspecionar a cada 20.000 horas R$ 3.027,88R$ 3.672,65 Filtro de admisso de combustvel (externo) Limpeza a cada 6 meses ou 4.000 horas Troca a cada 8.000 horas R$ 3.085,67R$ 10.051,76 Ignitor (sistema de gs) ..... Troca a cada 20.000 horas R$ 979,32R$ 1.187,86 Conjunto dos injetores (sistema de gs) ..... Troca a cada 20.000 horas R$ 3.018,25R$ 3.661,00 TET Termopar (sistema de gs) ..... Troca a cada 20.000 horas R$ 738,51R$ 895,77 (*)OspreosacimadescritosforambaseadosnoDlarcomercialdevendadodia01/04/2002(1US$= 2,2935 R$). (**)OCustoO&M(vidatildoequipamento)umaprojeodoCustoO&M,ouseja,levaem consideraoostemposdeintervalosdemanutenodecadacomponenteemfunodotempodevidatilda microturbina, estimado em 40.000 horas, de acordo com o fabricante do equipamento, a valor presente. Todos os valores foram calculados a partir da taxa de juros considerada 16,22% a.a., sendo que 8.000 horas foi aproximado para 1 ano. Fonte: CENBIO, 2006i. Combasenestasinformaes,foicalculadoocustototaldeoperaoemanutenoda microturbina, no valor de R$ 20.504,55, para um regime de operao de 40.000 horas. Para o levantamento dos custos de manuteno do sistema de purificao e compresso do biogs,foramconsideradosositenslistadosnosManuaisdosEquipamentos,fornecidospelos fabricantes,eseusrespectivosindicadoresdeinspees,intervalosdemanutenoetrocade componentes.Foram considerados, tambm, custosindividuais dos componentes, impostoscom importao,despesasalfandegriaseimpostoslocais(Tabela13).EstescustostotalizaramR$ 76.301,41, para um regime de 40.000 horas. Tabela 13. Manuteno preventiva dos componentes do sistema de limpeza do biogs para a microturbina. SISTEMA DE PURIFICAO DO BIOGS PARA A MICROTURBINA Componente Inspeo e intervalo Manuteno e intervaloCusto O&M* Custo O&M* (vida til do equipamento)** Filtro Coalescente 1 (Bancada 1) ..... Troca do elemento filtrante a cada 10.000 horas R$ 802,73R$ 2.129,51 Filtro de Carvo Ativado (Bancada 1) ..... Troca do carvo ativado a cada 10.000 horas R$ 802,73R$ 2.129,51 Secador por Refrigerao 1 Verificar a tenso a cada 2.000 horas Limpeza interna e troca de peas internas avariadas a cada 8.000 horas R$ 3.807,21R$ 12.402,22 Compressor de Palhetas Verificar a tenso e trocar o leo a cada 1.000 horas Limpeza interna das vlvulas, do elemento compressor e troca de peas internas avariadas a cada 2.000 horas R$ 3.296,10R$ 46.845,50 Filtro Coalescente 2 (Bancada 2) ..... Troca do elemento filtrante a cada 4.000 horas R$ 802,73R$ 5.435,31 Secador por Refrigerao 2 Verificar a tenso a cada 2.000 horas Limpeza interna e troca de peas internas avariadas a cada 8.000 horas R$ 1.605,45R$ 5.229,85 Filtro Coalescente 3 (Bancada 3) ..... Troca do elemento filtrante a cada 10.000 horas R$ 802,73R$ 2.129,51 (*)OspreosacimadescritosestobaseadosnoDlarcomercialdevendadodia01/04/2002(1US$= 2,2935 R$). (**)OCustoO&M(vidatildoequipamento)umaprojeodoCustoO&M,ouseja,levaem consideraoostemposdeintervalosdemanutenodecadacomponenteemfunodotempodevidatilda microturbina, estimado em 40.000 horas, de acordo com o fabricante do equipamento, a valor presente. Todos os valores foram calculados a partir da taxa de juros considerada 16,22% a.a., sendo que 8.000 horas foi aproximado para 1 ano. Fonte: CENBIO, 2006i. De posse destes dados, pde-se calcular a relao de custo de operao e manuteno da energia eltrica gerada. Para tanto, os seguintes dados foram considerados: Custo total de operao e manuteno = 20.504,55 (R$) + 76.301,41 (R$) = R$ 96.805,96 Mdiadeenergiaeltricalquidahorriaentregueredepelosistema=19,5 kWh Regime de operao = 24 horas Vida til da microturbina = 40.000 horas na microturbi da til Vida horria lquida eltrica energia de MdiaM O de total CustoR =&5(18) ( ) ( ) h kWR000 . 40 5 , 1996 , 805 . 965= 1241 , 05 = R R$/kWh Custo de gerao da microturbina Ocustodegeraocomamicroturbinalevouemcontaoinvestimentototalcom equipamentos da instalao, somando os custos de operao e manuteno, em funo da energia eltrica disponibilizada pelo sistema, considerando seu regime de operao e o tempo de vida til do equipamento gerador. na microturbi da til Vida horria lquida eltrica energia de MdiaM O de total Custo os equipament com total CustoR + =&6(19) ( ) ( ) h kWR000 . 40 5 , 1996 , 805 . 96 40 , 046 . 1516