UNESP Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá Guaratinguetá 2014 JUAN GALVARINO CERDA BALCAZAR OTIMIZAÇÃO DE ROTAS TECNOLÓGICAS DE PROCESSAMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE RESÍDUOS MUNICIPAIS Tese apresentada à Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, para a obtenção do título de Doutor em Engenharia Mecânica na área de Transmissão e Conversão de Energia. Orientador: Prof. Dr. José Antonio Perrella Balestieri Co-orientador: Prof. Dr. Rubens Alves Dias Guaratinguetá 2014 B174o Balcazar, Juan Galvarino Cerda Otimização de rotas tecnológicas de processamento e distribuição de resíduos municipais / Juan Galvarino Cerda Balcazar. - Guaratinguetá, 2014 233 f.: il. Bibliografia: f. 159-172 Tese (Doutorado) – Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, 2014 Orientador: Prof. Dr. José Antônio Perrella Balestieri Coorientador: Prof. Dr. Rubens Alves Dias 1. Resíduos sólidos – Municípios 2. Sustentabilidade I. Título CDU 628.544 DADOS CURRICULARES JUAN GALVARINO CERDA BALCAZAR NASCIMENTO 17.08.1985 – SÃO PAULO / SP FILIAÇÃO Luis Armando Cerda Kattán Juana Rosa Balcazar Garrido 2004/2008 Curso de Graduação em Engenharia Mecânica Universidade Estadual Paulista – Campus de Guaratinguetá 2009/2011 Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, nível de Mestrado, na Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá da Universidade Estadual Paulista. 2011/2014 Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, nível de Doutorado, na Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá da Universidade Estadual Paulista. De modo especial a Deus acima de tudo, à minha família, que me apoiou nestes anos de estudos e desenvolvimento, aos meus orientadores, Professores Perrella e Rubens, pelo apoio e ajuda neste período, aos meus amigos sempre me apoiando nas alegrias e nas tristezas desta jornada. AGRADECIMENTOS Em primeiro lugar agradeço a Deus, fonte da vida e da graça. Agradeço-o pela minha vida, minha inteligência, minha família e meus amigos. Antes de iniciar as devidas homenagens, o meu orientador (devido ao tempo de convívio, formou-se uma amizade) sempre cita um trecho de reflexão de um cientista mundialmente conhecido, Issac Newton: “Se vi mais longe é porque estive de pé sobre ombros de gigantes”. Sempre me perguntei que eram esses gigantes; outros cientistas antecessores a ele, sem dúvida que sim, mas quem seriam “os meus gigantes”, sobre cujos ombros eu subi para poder enxergar mais longe? Cientistas da minha área de conhecimento? Sim, sem dúvida, mas existem outros gigantes que contribuíram para ter a possibilidade de enxergar mais longe. Essas gigantes são meus pais, Luis e Juana, e minha irmã Albertina que, apesar das dificuldades enfrentadas, sempre incentivaram meus estudos e contribuíram para a formação dos meus princípios. Os gigantes no mundo acadêmico, sem dúvida, foram os meus orientadores, Prof. Dr. José Antônio Perrella Balestieri e Prof. Dr. Rubens Alves Dias, que jamais deixaram de me incentivar, me instigar, me provocar e me ajudar, mesmo não sendo obrigação deles. Sem sua orientação, dedicação e auxílio, o estudo aqui apresentado seria praticamente impossível. Os gigantes da amizade, meus amigos e amigas de turma - Rogério Wagatsuma, Leandro Yossida, Renata Massone Okawa, Carolina Mayer Guerrero - e muitos outros que passaram por um breve instante na minha vida, mas ficaram para sempre no meu coração. Os amigos e amigas de pós-graduação - Carlos Romero, Gretta, Andres, Flávio, Ubiravan, Elzimar, Carlos Eduardo, Juliana Ruzene - dentre outros amigos do programa de pós-graduação. Os amigos e amigas que fiz durante as minhas atividades de pesquisa, Prof. José Alexandre Matelli, Prof. Marcelo Sampaio, Prof. Mauro Peres e a secretaria do departamento de mecânica (DME) Rosilea Ribeiro de Matos, obrigado pelo apoio e aconselhamento nesta fase da minha jornada. Agradeço ainda: Aos funcionários da Biblioteca do Campus de Guaratinguetá pela dedicação, presteza e principalmente pela vontade de ajudar. Aos funcionários da pós-graduação pela dedicação e alegria no atendimento. Aos amigos da república Intrometemos e Nós S/A, pelo apoio e motivação nestes anos de pesquisas. Ao Instituto de Pesquisas Tecnologias do Estado de São Paulo, pelo apoio e flexibilidade de horários para o incentivo da minha formação. A minha namorada, Juliana Abdalla, que apesar das dificuldades enfrentadas, sempre incentiva meus estudos e meus trabalhos. ... Se uma coisa aprendi nesta minha pequena jornada, isso foi saber quais são os gigantes sobre cujos ombros me apoiei para poder enxergar mais longe... Este trabalho contou com apoio das seguintes instituições - CAPES – no período de 01/03/2012 até 31/05/2013 - IPT – no período de 31/05/2013 até 28/03/2014 “I fight for milk” Jim Braddock BALCAZAR, J. G. C. Otimização de rotas tecnológicas de processamento e distribuição de resíduos municipais. 2014. f. 233. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2014. RESUMO Com o aumento da população e das indústrias houve um aumento na geração de resíduos de diversas origens. Os resíduos domésticos, industriais, resíduos de serviço de saúde, dentre outros, devem ser dispostos de forma segura. Existem diversas maneiras de disposição final segura para os resíduos, tais como aterros sanitários controlados, usinas de biodigestão e incineradores, soluções essas que são empregadas separadamente. Por outro lado, nas últimas décadas houve um aumento significativo no consumo de energia elétrica devido a diversos fatores, tais como o aumento populacional e a melhoria da qualidade de vida. Nesta pesquisa foi analisado um modelo de otimização que engloba o uso de diferentes tecnologias de geração de energia e rotas tecnológicas de processamento dos resíduos por meio de processos térmicos, biológicos e recicláveis. O modelo é aplicado em estudo de caso para as regiões Metropolitanas de São Paulo, Campinas, Vale do Paraíba e Litoral Norte, utilizando tecnologias consolidadas para processamento de resíduos. O tratamento térmico gera cinzas que podem ser utilizadas na indústria ou podem ser dispostas em aterros sanitários. O uso do transporte dos resíduos melhora a eficiência, geração de energia elétrica e a receita financeira. Analisa-se também a vantagem da redução das emissões de dióxido de carbono equivalente, sendo que esta diferença pode ser comercializada. A partir da modelagem realizada, verificou- se que algumas localidades devem concentrar os resíduos líquidos e orgânicos para aumentar a geração de biogás em tecnologias de bioestabilização, possibilitando o aumento de ciclos híbridos, consequentemente melhorando a potência elétrica das plantas de processamento. Nas plantas ocorre a venda de energia elétrica, adubo orgânico, materiais reciclados e cinzas, porém não é suficiente para tornar o empreendimento atrativo, sendo que adotar políticas de inserção de créditos, como o crédito de carbono e a taxa de tratamento de resíduos, respectivamente, melhora o payback de 12-15 anos para 6-9 anos, a taxa interna de retorno de valores -5% -0% para 12% -18% e VPL de -2-0 milhões para 6-10 milhões, em média. PALAVRAS-CHAVE: Resíduos Municipais. Metodologia de auxilio a decisão. Otimização. Tecnologias de processamento. Sustentabilidade. BALCAZAR, J. G. C. Route optimization technology processing and distribution of municipal waste. 2014. f. 233. Thesis (Doctor in Mechanical Engineering) - Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2014. ABSTRACT With the increase in population and industries, an increase in waste generation of various nature is observed. Domestic waste, industrial waste health service, among others, must be safely disposed. There are several ways to dispose the waste in a secure manner, such as controlled landfills, bio-digestion plants and incinerators, solutions that are used separately. By the other side, in recent decades a significant increase in power consumption was observed due to various factors, such as population growth and improved quality of life. In this research, an optimization model that encompasses the use of different technologies for energy generation and technological pathways for processing of waste through processes of thermal, biological and recyclable was analyzed. The model is applied in a case study for the metropolitan regions of São Paulo, Campinas and the Paraíba Valley and the North Coast just using consolidated technologies for waste processing. The results show a considerable production of electric energy even given to recycling and bio-stabilization. The heat treatment produces ash that can be used in industry or can be disposed of as landfill cover. The sale of raw materials produced by recycling and organic fertilizer technologies make this project financially attractive. The use of waste transportation improves efficiency, power generation and financial revenue. It also analyzes the advantages of a reduction in emissions of carbon equivalent, in which this difference can be commercialized. From the modeling performed, it was found that some regions should concentrate liquid and organic wastes to enhance the biogas generation in bio-stabilization waste technologies, enabling the increase of hybrid cycles, thereby improving the electric power processing plants. Electric energy, organic fertilizer, recycled matter and ash can be sold, but it is not enough to make the venture attractive, and the adoption of policies such as carbon credit and the rate of treatment of waste, respectively, improves payback from 12-15 years to 6-9 years, the internal rate of return values from -5%-0% to 12%-18% and NPV of -2,000,000-0 to 6,000,000-10,000,0000 dollars, on average. KEYWORDS: Municipal Waste. Methodology of the decision. Optimization. Technologies processing. Sustainability. Lista de Figuras Figura 1 – Porcentagens da capacidade instalada das atividades de projeto aprovadas. .......... 32 Figura 2– Escala hierárquica do manejo dos resíduos, utilizando o conceito 4Rs. .................. 33 Figura 3– Incinerador com tecnologia Waste-to-Energy utilizado em diversos países. ........... 34 Figura 4– Diagrama da corrosão típica em incineradores ........................................................ 35 Figura 5– Esquema de um incinerador com uma caldeira acoplada na saída dos gases de exaustão. ................................................................................................................................... 37 Figura 6– Diagramas T-s dos equipamentos do um ciclo combinado, mostrando a energia entregue do conjunto a gás para o ciclo a vapor. ...................................................................... 38 Figura 7– Esquema de uma planta de incineração com valorização do vapor e gases de exaustão tratados e lançados separadamente. ........................................................................... 39 Figura 8– Estrutura da planta de processamento de resíduos orgânicos e geração de biogás utilizando um sistema centralizado de co-digestão dos resíduos sólidos de uma determinada localização. ............................................................................................................................... 42 Figura 9– Biodigestor modelo indiano em corte longitudinal (a) e em perspectiva isométrica com corte longitudinal (b). ....................................................................................................... 43 Figura 10– Planta de biodigestão termofílica em operação. ..................................................... 43 Figura 11– Esquema de um aterro sanitário com queima dos gases gerados e com sistemas de controle de poluentes gasosos e líquidos. ................................................................................. 44 Figura 12– A estrutura básica da compostagem para uma unidade com as três fases, com os devidos fluxos de massa e energia. ........................................................................................... 46 Figura 13 - Representação da influência das cidades no estado de São Paulo ......................... 61 Figura 14 - Série histórica da produção de resíduos na cidade de São José dos Campos. ....... 63 Figura 15 – Gráfico da evolução do tratamento de esgotos domésticos no Estado de São Paulo .................................................................................................................................................. 64 Figura 16 – Mapa da Região Metropolitana de São Paulo, com a disposição adequada e controlada e a quantidade de municípios receptores e nº de provenientes, data de 2009......... 67 Figura 17 – Mapa da Região Metropolitana de São Paulo, com e sem coleta seletiva e a produção em toneladas por mês de resíduos sólidos de 2009. ................................................. 68 Figura 18 - Mapa da Região Metropolitana de São Paulo e com as principais estações de tratamento de esgoto (Figura 18 ampliada no APÊNDICE A, Figura 2.A) ............................. 69 Figura 19 – Mapa do estado de São Paulo, com as cidades receptoras e geradoras de resíduos. .................................................................................................................................................. 70 Figura 20 – Mapa das regiões metropolitanas analisadas, com os locais demarcados. ............ 72 Figura 21 – Mapa do estado de São Paulo, com o índice de qualidade de aterro de resíduos nos municípios de 2011. ........................................................................................................... 73 Figura 22 - Superestrutura de processos biológicos ................................................................. 77 Figura 23 - Superestrutura de processos biológicos escolhido. ................................................ 82 Figura 24 - Superestrutura de processos renováveis (reciclagem). .......................................... 83 Figura 25 - Superestrutura de processos renováveis (reciclagem) em situação exemplo ........ 85 Figura 26 - Superestrutura de processos térmicos .................................................................... 87 Figura 27 – Representação de uma configuração com três geradores de vapor em três níveis de pressão de superaquecimento. ............................................................................................. 92 Figura 28 - Superestrutura de processos térmicos em situação exemplo ................................. 97 Figura 29 – Megaestrutura contendo as superestruturas .......................................................... 99 Figura 30 – Megaestrutura referente a situação exemplo ....................................................... 100 Figura 31 – Esquema da configuração de quatro ciclos combinados utilizando o conjunto a gás CG1 em paralelo ao incinerador com caldeira acoplada. ................................................. 105 Figura 32 – Esquema da configuração de um ciclo combinado utilizando o conjunto a gás CG2 em paralelo ao incinerador com caldeira acoplada. ....................................................... 105 Figura 33 – Fases marcantes na produção de gases de um aterro sanitário. .......................... 108 Figura 34– Custo de investimento inicial de incinerador em função do resíduo sólido processado. ............................................................................................................................. 115 Figura 35– Custo de operação e manutenção de incinerador em função do resíduo sólido ... 115 Figura 36– Mapa das plantas com as tecnologias atualmente empregadas. ........................... 120 Figura 37– Mapa das plantas isoladas com as tecnologias de processamento. ...................... 121 Figura 38– Superestrutura dos processos térmicos das plantas isoladas, com ciclos híbridos. ................................................................................................................................................ 122 Figura 39– Superestrutura do processo térmico das plantas isoladas, com ciclo a vapor. ..... 122 Figura 40– Superestrutura dos processos biológicos para as plantas isoladas. ...................... 123 Figura 41– Superestrutura dos processos renováveis para as plantas isoladas. ..................... 123 Figura 42– Superestrutura dos processos renováveis para as plantas isoladas. ..................... 124 Figura 43– Mapa das plantas com interação, com as tecnologias de processamento e o CG1. ................................................................................................................................................ 129 Figura 44– Megaestrutura da planta i com interação. ............................................................ 131 Figura 45– Superestrutura dos tratamentos térmicos da megaestrutura da planta i. .............. 131 Figura 46– Superestrutura dos tratamentos renováveis da megaestrutura da planta i. ........... 132 Figura 47– Megaestrutura das plantas j com interação. ......................................................... 133 Figura 48– Superestrutura dos tratamentos térmicos da megaestrutura da planta j. .............. 133 Figura 49– Superestrutura dos tratamentos biológicos da megaestrutura da planta j. ........... 134 Figura 50– Superestrutura dos tratamentos renováveis da megaestrutura da planta j. ........... 134 Figura 51– Mapa das plantas com as tecnologias com interação, com o CG2. ...................... 136 Figura 52– Exemplo de leitura das Tabelas 24 e 26. .............................................................. 137 Figura 53– Produção de dióxido de carbono equivalente dos resíduos produzidos em um aterro sanitário. ....................................................................................................................... 145 Figura 54– Payback do cenário otimista com o conjunto a gás CG1 sem transporte. ........... 150 Figura 55– Payback do cenário otimista com o CG1 sem transporte (ampliado). ................. 150 Figura 56– VPL do cenário otimista com o conjunto a gás CG1 sem transporte................... 152 Figura 57– TIR do cenário otimista com o CG1 sem transporte ampliado. ........................... 154 Figura A. 1 – Mapa das regiões metropolitanas analisadas, com os locais demarcados. ....... 173 Figura A. 2 – Mapa das regiões metropolitanas analisadas, com os locais demarcados. ....... 174 Figura A. 3 – Mapa das região metropolitana de São Paulo com as ETE . ............................ 175 Figura A. 4 – Mapa das plantas com as tecnologias empregadas hoje. .................................. 176 Figura A. 5 – Mapa das plantas com as tecnologias sem interação, com o CG1. .................. 177 Figura A. 6 – Mapa das plantas com as tecnologias com interação, com o CG1. .................. 178 Figura A. 7 – Mapa das plantas com as tecnologias sem interação, com o CG2. .................. 179 Figura A. 8 – Mapa das plantas com as tecnologias com interação, com o CG2. .................. 180 Figura B. 1 – Payback do cenário otimista com o CG1 sem transporte. ................................ 181 Figura B. 2 – Payback do cenário otimista com o CG1 sem transporte ampliado. ................ 181 Figura B. 3 – Payback do cenário mais provável com CG1 sem transporte. ......................... 182 Figura B. 4 – Payback do cenário mais provável com o CG1 sem transporte ampliado. ...... 182 Figura B. 5 – Payback do cenário pessimista com CG1 sem transporte. ............................... 183 Figura B. 6 – Payback do cenário pessimista com o CG1 sem transporte ampliado. ............ 183 Figura B. 7 – Payback do cenário otimista com o CG1 com transporte. ............................... 184 Figura B. 8 – Payback do cenário otimista com o CG1 com transporte ampliado. ............... 184 Figura B. 9 – Payback do cenário mais provável com o CG1 com transporte. ...................... 185 Figura B. 10 – Payback do cenário mais provável com o CG1 com transporte ampliado. .... 185 Figura B. 11 – Payback do cenário pessimista com o CG1 com transporte........................... 186 Figura B. 12 – Payback do cenário pessimista com o CG1 com transporte ampliado. .......... 186 Figura B. 13 – Payback do cenário otimista com o CG2 sem transporte. .............................. 187 Figura B. 14 – Payback do cenário otimista com o CG2 sem transporte ampliado. .............. 187 Figura B. 15 – Payback do cenário mais provável com o CG2 sem transporte. .................... 188 Figura B. 16 – Payback do cenário mais provável com o CG2 sem transporte ampliado. .... 188 Figura B. 17 – Payback do cenário pessimista com o CG2 sem transporte. .......................... 189 Figura B. 18 – Payback do cenário pessimista com o CG2 sem transporte ampliado. .......... 189 Figura B. 19 – Payback do cenário otimista com o CG2 com transporte. ............................. 190 Figura B. 20 – Payback do cenário otimista com o CG2 com transporte ampliado. ............. 190 Figura B. 21 – Payback do cenário mais provável com o CG2 com transporte. .................... 191 Figura B. 22 – Payback do cenário mais provável com o CG2 com transporte ampliado. .... 191 Figura B. 23 – Payback do cenário pessimista com o CG2 com transporte........................... 192 Figura B. 24 – Payback do cenário pessimista com o CG2 com transporte ampliado. .......... 192 Figura C. 1 – VPL do cenário otimista com o conjunto a gás CG1 sem transporte. .............. 193 Figura C. 2 – VPL do cenário mais provável com o conjunto a gás CG1 sem transporte. .... 193 Figura C. 3 – VPL do cenário pessimista com o conjunto a gás CG1 sem transporte. .......... 194 Figura C. 4 – VPL do cenário otimista com o conjunto a gás CG1 com transporte. ............. 194 Figura C. 5 – VPL do cenário mais provável com o conjunto a gás CG1 com transporte. .... 195 Figura C. 6 – VPL do cenário pessimista com o conjunto a gás CG1 com transporte. .......... 195 Figura C. 7 – VPL do cenário otimista com o conjunto a gás CG2 sem transporte. .............. 196 Figura C. 8 – VPL do cenário mais provável com o conjunto a gás CG2 sem transporte. .... 196 Figura C. 9 – VPL do cenário pessimista com o conjunto a gás CG2 sem transporte. .......... 197 Figura C. 10 – VPL do cenário otimista com o conjunto a gás CG2 com transporte. ........... 197 Figura C. 11 – VPL do cenário mais provável com o conjunto a gás CG2 com transporte. .. 198 Figura C. 12 – VPL do cenário pessimista com o conjunto a gás CG2 com transporte. ........ 198 Figura D. 1 – TIR do cenário otimista com o CG1 sem transporte ampliado. ....................... 199 Figura D. 2 – TIR do cenário mais provável com o CG1 sem transporte ampliado. ............. 199 Figura D. 3 – TIR do cenário pessimista com o CG1 sem transporte ampliado. ................... 200 Figura D. 4 – TIR do cenário otimista com o CG1 com transporte ampliado........................ 200 Figura D. 5 – TIR do cenário mais provável com o CG1 com transporte ampliado. ............. 201 Figura D. 6 – TIR do cenário pessimista com o CG1 com transporte ampliado. ................... 201 Figura D. 7 – TIR do cenário otimista com o CG2 sem transporte ampliado. ....................... 202 Figura D. 8 – TIR do cenário mais provável com o CG2 sem transporte ampliado. ............. 202 Figura D. 9 – TIR do cenário pessimista com o CG2 sem transporte ampliado. ................... 203 Figura D. 10 – TIR do cenário otimista com o CG2 com transporte ampliado...................... 203 Figura D. 11 – TIR do cenário mais provável com o CG2 com transporte ampliado. ........... 204 Figura D. 12 – TIR do cenário pessimista com o CG2 com transporte ampliado. ................. 204 Lista de Tabelas Tabela 1 - Estimativa de preços de venda de insumos em dólares por quantidade. ................. 60 Tabela 2 - Evolução da população residente de 2000 até 2010 nas RM e AU. ........................ 62 Tabela 3 – Produção de resíduos sólidos e coleta de esgoto nas regiões metropolitanas......... 62 Tabela 4 – Composição típica do lixo de uma cidade, dividido por elementos e em massa. ... 63 Tabela 5 – Características dos resíduos sólidos, sua possível origem e sua gestão ................. 65 Tabela 6 – Produção de resíduos sólidos e coleta de esgoto nas regiões metropolitanas......... 81 Tabela 7 – Produção de resíduos sólidos e coleta de esgoto nas regiões metropolitanas......... 84 Tabela 8 – Produção de resíduos sólidos e coleta de esgoto nas regiões metropolitanas......... 96 Tabela 9 - Distribuição da vazão mássica de resíduos nas plantas candidatas. ...................... 102 Tabela 10 - Distâncias típicas entre as plantas candidatas. .................................................... 102 Tabela 11 - Estimativa de pedágio entre as plantas candidatas. ............................................. 102 Tabela 12 - Custo por carga entre as plantas candidatas. ....................................................... 103 Tabela 13 - Estimativa de preços de venda de material reciclável. ........................................ 103 Tabela 14 – Parâmetros termodinâmicos adotados neste estudo ............................................ 104 Tabela 15 – Conjuntos a gás com potencial para serem utilizados em ciclos híbridos. ......... 106 Tabela 16 – Distribuição da porcentagem dos gases gerados por um aterro sanitário observada durante os primeiros quarenta e oito meses após o encerramento de uma célula. ................. 109 Tabela 17 – Valores da constante k para diversas faixas de precipitação anual e os níveis de degradabilidade encontrado no resíduo do aterro sanitário. ................................................... 111 Tabela 18 – Valores mínimo e máximo de Lo para diversos níveis de degradabilidade. ....... 111 Tabela 19 – Valores de massa atômica de elementos. ............................................................ 112 Tabela 20 – Parâmetros das plantas isoladas e utilizando o conjunto a gás CG1. ................. 125 Tabela 21 – Valores das variáveis binárias para definir o local de destinação dos resíduos orgânicos, para as plantas isoladas. ........................................................................................ 127 Tabela 22 – Parâmetros das plantas isoladas e utilizando o conjunto a gás CG2. ................. 128 Tabela 23 – Parâmetros das plantas com transporte e utilizando o conjunto a gás CG1. ...... 135 Tabela 24 – Valores das variáveis binárias para definir o local de destinação dos resíduos orgânicos, para o conjunto a gás CG1e com transporte. ........................................................ 140 Tabela 25 – Valores dos parâmetros das plantas com transporte e utilizando o conjunto a gás CG2. ........................................................................................................................................ 141 Tabela 26 – Valores das variáveis binárias para definir o local de destinação dos resíduos orgânicos, para o conjunto a gás CG2 e com transporte. ....................................................... 142 Tabela 27 – Potências elétricas geradas e fornecidas das plantas isoladas, integradas e a global com o conjunto a gás CG1 e CG2. ......................................................................................... 143 Tabela 28 – As eficiências térmicas geradas, fornecidas e com base nos resíduos sólidos das plantas isoladas, integradas e a global com o conjunto a gás CG1 e CG2. ............................ 144 Tabela 29 – Valores da produção anual do que deveria ser enviado para aterro sanitário ..... 144 Tabela 30 – Valores de emissões, energia elétrica gerada e investimento bruto específico para o CG1 sem transporte. ............................................................................................................ 146 Tabela 31 – Valores de emissões, energia elétrica gerada e investimento bruto específico para o CG1 com transporte. ............................................................................................................ 146 Tabela 32 – Valores de emissões, energia elétrica gerada e investimento bruto específico para o CG2 sem transporte. ............................................................................................................ 147 Tabela 33 – Valores de emissões, energia elétrica gerada e investimento bruto específico para o CG2 com transporte. ............................................................................................................ 147 Tabela 34 – Valores estimados de investimentos iniciais das plantas de processamento. ..... 149 Tabela 35 – Valores do payback nos conjuntos a gás CG1 e CG2 sem e com transporte nos cenários Otimista, Mais Provável e Pessimista. ..................................................................... 151 Tabela 36 – Valores do VPL nos conjuntos a gás CG1 e CG2 sem e com transporte nos cenários Otimista, Mais Provável e Pessimista. ..................................................................... 153 Tabela 37 – Valores da TIR nos conjuntos a gás CG1 e CG2 sem e com transporte nos cenários Otimista, Mais Provável e Pessimista. ..................................................................... 154 Tabela F. 1 – Estimativa de investimento das plantas de processamento de resíduos, com CG1 e sem interação. ...................................................................................................................... 220 Tabela F. 2 – Estimativa de investimento das plantas de processamento de resíduos, com CG1 e com interação. ...................................................................................................................... 221 Tabela F. 3 – Estimativa de investimento das plantas de processamento de resíduos, com CG2 e sem interação. ...................................................................................................................... 222 Tabela F. 4 – Estimativa de investimento das plantas de processamento de resíduos, com CG2 e com interação. ...................................................................................................................... 223 Tabela G. 1 – Quantidades de resíduos recolhidos diariamente nas regiões metropolitanas. 224 Tabela G. 2 - Quantidades de resíduos orgânicos tratados e não tratado produzido diariamente nas regiões metropolitanas...................................................................................................... 228 Lista de Abreviaturas e Siglas AHP - Análise Hierárquica dos Processos (Analytic Hierarchy Process) ANP - Análise da Rede de Trabalho dos Processos (Analytic Network Process) AO - Adubo orgânico AU - Aglomerado Urbano BG - Biogás BM - Biodigestor Mesofílico BT - Biodigestor Termofílico BNDES - Banco Nacional do Desenvolvimento Econômico e Social CDR - Combustível Derivado do Resíduo CIMGC - Comissão Interministerial de Mudança Global do Clima CQNUMC - Convenção Quadro das Nações Unidas sobre Mudanças Climáticas DBO - Matéria orgânica gerada por habitante EES - Engineer Equation Solver ETE - Estação de Tratamento de Esgoto FP - Função Pertinente GEE - Gases de Efeito Estufa GN - Gás Natural INPEV - Instituto Nacional de Processamento de Embalagens Vazias IQR - Índice de Qualidade dos Resíduos LI - Licença Ambiental de Instalação LO - Licença Ambiental de Operação MCT - Ministério de Ciência e Tecnologia MDL - Mecanismos de Desenvolvimento Limpo MINLP - Mixed Integer Non Linear Programming MILP - Mixed Integer Linear Programming MMA - Ministério do Meio Ambiente PCH - Pequena Central Hidrelétrica PL - Programação Linear PLI - Programação Linear Inteira PNRS - Política Nacional dos Resíduos Sólidos PROINFA - Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica RES - Renewable Energy Sources Act RM - Região Metropolitana RSM - Resíduo Sólido Municipal RSU - Resíduo Sólido Urbano SIG - Sistema de Informação Geográfica TAC - Termo de Compromisso e Ajustamento de Conduta TGCA - Taxa Geométrica de Crescimento Anual VCC - Vapor da caldeira de recuperação VCI - Vapor da caldeira de incineração VCV - Vapor da caldeira convencional TG - turbina a gás TGlobal - todas as plantas TT - tratamento térmico TTR - taxa tratamento e de recolhimento de resíduos TV - turbina a vapor WTE - Waste-To-Energy Lista de símbolos Escrito C custo específico da planta US$/kWh FC valor presente das entradas de caixa US$ GP ganho com a produção na planta US$ h entalpia kJ/kg HA horas ao ano h/ano I investimento inicial US$ IPI imposto sobre produto industrializado [1] ṁ vazão mássica kg/s ma vazão mássica anual t/ano PCI poder calorífico inferior kJ/kg q período ano Q vazão volumétrica anual Nm³/ano Q potência térmica kW R receita obtida em cada planta e determinado cenário US$/ano ta número de anos após o fechamento do aterro ano VA variável artificial [1] Ẇ potência elétrica kW Letras Gregas η eficiência [1] Subscrito C determinação de propriedades termodinâmicas cc ciclo combinado CC construção civil da planta comp compostagem CV caldeira de vapor convencional D propriedade/variável ele energia elétrica ge gases de exaustão Gerdado gerador/fornecido Gerador gerador elétrico GN gás natural i propriedade/variável inc incineração j número de plantas Kele performance de potência elétrica Kter performance de potência térmica Kj taxa de juros Liq líquido Max maximização MO manutenção e operação MS mesofílico PI planta de incineração REC reciclado red redução dos processos de incineração td entradas de caixa ter fonte térmica SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 23 1.1 Estabelecimento do problema .................................................................................... 23 1.2 Objetivos do trabalho ................................................................................................. 26 1.3 Contribuições da tese.................................................................................................. 27 1.4 Estrutura da tese ......................................................................................................... 27 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................ 29 2.1 Meio Ambiente ........................................................................................................... 29 2.1.1 Ecossistema e mecanismos de regeneração ................................................................ 29 2.1.2 Legislação ambiental local ......................................................................................... 30 2.2 Restrições e oportunidades ......................................................................................... 30 2.3 Tecnologias consolidadas de processamento de resíduos .......................................... 32 2.3.1 Conceito de 4Rs (reduzir, recuperar, reutilizar e reciclar) ......................................... 33 2.3.2 Incineração ................................................................................................................. 34 2.3.3 Ciclo a vapor acoplado a incineradores ...................................................................... 36 2.3.4 Ciclo combinado......................................................................................................... 37 2.3.5 Ciclos híbridos (integrados) ....................................................................................... 38 2.3.6 Biodigestores .............................................................................................................. 41 2.3.7 Aterro Sanitário .......................................................................................................... 43 2.3.8 Processo de compostagem .......................................................................................... 45 2.4 Análise de tomada de decisão para escolha das tecnologias empregadas .................. 46 2.4.1 AHP ............................................................................................................................ 47 2.4.2 ANP ............................................................................................................................ 49 2.4.3 Lógica fuzzy ................................................................................................................ 54 2.5 Seleção de tecnologias através de otimização ............................................................ 56 2.5.1 Programação linear inteira .......................................................................................... 56 3 MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................... 59 3.1 Cenários analisados .................................................................................................... 59 3.2 Região metropolitana ................................................................................................. 60 3.2.1 Produção de resíduos .................................................................................................. 61 3.3 Os locais das plantas................................................................................................... 66 3.3.1 Os modelos de otimização empregados ..................................................................... 73 3.3.2 Tecnologias consolidadas ........................................................................................... 74 3.3.3 Regiões metropolitanas do estado de São Paulo ........................................................ 75 3.4 Superestrutura das plantas .......................................................................................... 76 3.5 A megaestrutura para a região a ser analisada ........................................................... 97 3.6 Parâmetros Utilizados............................................................................................... 101 3.6.1 Parâmetros termodinâmicos de operação da superestrutura de tratamento térmico 104 3.7 Análise termodinâmica das plantas .......................................................................... 106 3.8 Análise ambiental ..................................................................................................... 107 3.9 Análise de impactos ambientais e certificados de emissões regulares ..................... 111 3.10 Análise econômica ................................................................................................... 114 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ......................................................................... 119 4.1 Resultados tecnológicos selecionadas nas plantas isoladas ..................................... 119 4.2 Resultados das tecnologias as plantas com a interação/transporte dos resíduos orgânicos ................................................................................................................................. 129 4.3 Análise da eficiência das plantas analisadas. ........................................................... 143 4.4 Análise de parâmetros específicos ........................................................................... 144 4.4.1 Análises dos resultados da geração dos resíduos dispostos em aterro sanitário ...... 144 4.4.2 Análise do carbono equivalente produzido .............................................................. 145 4.4.3 Análise do combustível utilizado no transporte de resíduos entre plantas. .............. 148 4.5 Análise da atratividade econômica das plantas ........................................................ 149 4.5.1 Resultados das análises do tempo de retorno do investimento – payback ............... 150 4.5.2 Resultados das análises da VPL ............................................................................... 152 4.5.3 Resultados das análises da TIR ................................................................................ 154 5 CONCLUSÕES ...................................................................................................... 156 REFERENCIAS ................................................................................................................... 159 APÊNDICE A – MAPAS AMPLIADOS UTILIZADOS NA TESE ................................ 173 APÊNDICE B – GRÁFIGOS DO PERÍODO DO PAY BACK. ....................................... 181 APÊNDICE C – GRÁFIGOS DO VALOR PRESENTE LÍQUIDO (VPL). .................. 193 APÊNDICE D – GRÁFIGOS DA TAXA INTERNA DE RETORNO (TIR) ................. 199 APÊNDICE D – ALGORITMO ELABORADO PARA SER IMPLEMENTADO NO SOFTWARE LINGO. .......................................................................................................... 205 APÊNDICE E – ALGORITMO ELABORADO PARA SER IMPLEMENTADO NO SOFTWARE EES (ENGINEERING EQUATION SOLVER) .......................................... 212 APÊNDICE F – AS PLANILHAS UTILIZADAS PARA O CÁLCULO DO PAYBACK, TIR E VPL. ........................................................................................................................... 220 ANEXO G – INFORMAÇÕES DAS REGIÕES METROPOLITANAS ....................... 224 23 2 3 1 INTRODUÇÃO 1.1 Estabelecimento do problema O Brasil apresenta centros urbanos com um crescimento acelerado e desordenado, similar a outros países em desenvolvimento. O crescimento das cidades se deve a diversos fatores, dentre eles a diversidade de oferta de empregos, a infraestrutura urbana e suas facilidades, bem como mudanças comportamentais e culturais da sociedade. O crescimento dos centros urbanos estabelece relação com a geração de resíduos. A disposição inadequada deles (na condição sólida e líquida em sua maioria) é (ou deveria ser) motivo de preocupação por parte dos gestores, uma vez que constituem importante passivo ambiental que deve, obrigatoriamente, ser equacionado. No Brasil, a tecnologia mais comumente empregada na disposição final dos resíduos gerados por municípios é o aterro sanitário. Em muitas cidades só existe este meio para a disposição final dos resíduos, e ainda assim de forma irregular, na forma de “lixões”. Os aterros irregulares não apresentam mecanismos para evitar passivos ambientais. Em alguns municípios há programas de coleta seletiva dos resíduos, embora quase sempre isso seja realizado de forma parcial em relação aos diversos bairros das cidades, ou de modo irregular. No caso específico do esgotamento sanitário, o não recolhimento e tratamento de esgoto é o principal causador de ocorrência de doenças como a hepatite A, dengue, cólera, diarreia, leptospirose, febre tifoide e paratifoides, esquistossomose, infecções intestinais, dentre outras, que acabam afetando principalmente a população na faixa etária de zero até cinco anos (TEIXEIRA; GUILHERMINO, 2006). Se o investimento para o tratamento de resíduos sólidos e líquidos se tornasse efetivo em diversos municípios, os custos com o tratamento e combate a doenças seriam cada vez menores, elevando a qualidade de vida da população. A partir da promulgação da Lei 12.305/2010, que instituiu a Política Nacional de Resíduos Sólidos – PNRS (BRASIL, 2012(a)), lixões a céu aberto e aterros controlados deverão ser proibidos a partir de Agosto de 2014, sendo substituídos por aterros sanitários ou industriais nos quais apenas resíduos sem qualquer possibilidade de reciclagem e reaproveitamento poderão ser ali dispostos. A compostagem dos resíduos orgânicos, bem como a implantação de sistemas de coleta seletiva são previstos na peça jurídica, e as responsabilidades sobre a destinação de cada tipo de resíduo é compartilhada entre todos os atores sociais envolvidos (cidadãos, empresas, prefeituras, governos estaduais e federal). 24 2 4 Conforme o Artigo 7° da Lei 12.305/2010, um dos objetivos da Política Nacional de Resíduos Sólidos é a “gestão integrada de resíduos sólidos” (item VII), bem como a “adoção, desenvolvimento e aprimoramento de tecnologias limpas como forma de minimizar impactos ambientais” (item IV). No artigo 9° desta Lei observa-se a ordem de prioridade na gestão e gerenciamento de resíduos sólidos, a saber: não geração, redução, reutilização, reciclagem, tratamento dos resíduos sólidos e disposição final ambientalmente adequada dos rejeitos. O parágrafo 1°, no entanto, sinaliza o aspecto mais importante para o escopo desta tese: § 1° - Poderão ser utilizadas tecnologias visando à recuperação energética dos resíduos sólidos urbanos, desde que tenha sido comprovada sua viabilidade técnica e ambiental e com a implantação de programa de monitoramento de emissão de gases tóxicos aprovado pelo órgão ambiental (BRASIL(a), 2012). No caso específico em que se desenvolve a análise de um estudo de caso para esta tese, as regiões metropolitanas de São Paulo, Campinas e Vale do Paraíba com Litoral Norte foram consideradas por apresentarem características de elevadas concentrações demográficas, agrícola e industrial. Consequentemente, nesta região se observam grandes pressões sobre a disposição dos resíduos municipais. Os resíduos gerados nas três regiões analisadas apresentam um considerável volume e características distintas devido a cada região de origem. A complexidade dos resíduos gerada nessas regiões recomenda a utilização de classes distintas de equipamentos e métodos para o processamento mais adequado desses resíduos. Para a gestão integrada de resíduos, diversas tecnologias se encontram consolidadas e disponíveis comercialmente: há aquelas que utilizam tratamentos de oxidação dos resíduos em elevadas temperaturas, assim como existem processos de tratamento e estabilização de resíduos orgânicos e líquidos através de reações anaeróbias e aeróbias; existem procedimentos e metodologias para o reaproveitamento, redução, reutilização e reciclagem dos resíduos. Os equipamentos para processamento dos resíduos utilizando oxidação em elevadas temperaturas (tratamento térmicos) tradicionalmente empregados consistem no uso de incineradores para eliminar um passivo ambiental, embora atualmente já se encontrem em uso ciclos combinados híbridos com sistemas de incineração, bem como desenvolvimentos em fase avançada para o emprego de processos de gaseificação dos resíduos sólidos urbanos. A incineração apresenta oportunidades de aproveitamento da energia térmica dos gases de exaustão para gerar energia elétrica e térmica. A combustão adequada dos resíduos nesses processos produz cinzas, a qual apresenta características de matéria inerte e uma redução do volume ocupado em comparação aos resíduos totais gerados. As cinzas podem ser depositadas em aterros sanitários apropriados ou comercializadas para a indústria especializada. 25 2 5 O tratamento dos resíduos orgânicos e líquidos através da utilização de processos de tratamento anaeróbio e aeróbio apresenta a oportunidade de geração de biogás, com potencial de geração de energia elétrica e térmica, e a produção do adubo orgânico. O biogás pode ser utilizado para alimentar um processo térmico e reduzir a emissão de carbono equivalente dos gases que compõem o biogás (como o metano, que apresenta um fator de impacto 23 vezes maior que o dióxido de carbono). O tratamento dos resíduos através de reciclagem proporciona diminuição indireta no consumo de energia elétrica e térmica para obtenção de matérias primas, permitindo uma benéfica redução no consumo daquelas obtida da natureza, com redução da energia gasta com a extração, beneficiamento, transporte e modificação para um produto com valor agregado. Como se observa, os processos de tratamento dos resíduos podem ser associados, resultando em um sistema de equipamentos, processos e tecnologias mutualistas, utilizando as vantagens/produtos de uma classe de tecnologias para minimizar as limitações de classe diferentes de tecnologias. Assim, por exemplo, uma planta de digestão anaeróbica necessita de energia térmica para manter a eficiência dos reatores, ao passo que uma termelétrica necessita de determinado combustível para operar. No sistema mutualista, o processo de digestão anaeróbica gera biogás (um combustível) enquanto a termelétrica gera energia elétrica e térmica, que pode ser utilizada no todo ou em parte para a digestão anaeróbica. Os diversos processos disponíveis tendem a apresentar maior eficiência proporcionalmente ao volume de elementos processados. O fator de escala contribui para melhorar os processos de disposição final dos resíduos. A quantidade mínima de resíduos sólidos urbanos recomendadas para se garantir a viabilidade do projeto comparativamente a uma central termelétrica a gás natural é de 500 toneladas/dia para processos de incineração, 200 toneladas/dia para a digestão anaeróbica e 300 toneladas por dia para aproveitamento do biogás de aterro sanitário (TOLMASQUIM, 20031; OLIVEIRA, 20092). Nesse sentido, a análise de rotas tecnológicas de processamento e distribuição de produtos derivados de 1 TOLMASQUIM, M. T. (Org). Fontes renováveis de energia no Brasil. Rio de Janeiro: Interciência, 2003. 515 p. Apud: FUNDAÇÃO ESTADUAL DO MEIO AMBIENTE. Aproveitamento energético de resíduos sólidos urbanos: guia de orientação para governos municipais de Minas Gerais. Belo Horizonte: FEAM, 2012. 163 p. Disponível em: http://www.feam.br/images/stories/arquivos/mudnacaclimatica/2013/aproveitamento%20 energetico%20de%20rsu_guia%20de%20orientaes_versao_publicacao_on_line.pdf. Acesso em: 10/12/2013. 2 OLIVEIRA, L.B. Instituto Virtual Internacional de Mudanças Globais. In: SEMINÁRIO LIXO É ENERGIA, 2009, Belo Horizonte. Apresentação em slides... Belo Horizonte, 2009. 69p. Disponível em: . Acesso em: 19 mar. 2009. Apud: FUNDAÇÃO ESTADUAL DO MEIO AMBIENTE. Aproveitamento energético de resíduos sólidos urbanos: guia de orientação para governos municipais de Minas Gerais. Belo Horizonte: FEAM, 2012. 163 p. Disponível em: http://www.feam.br/images/stories/arquivos/mudnacaclimatica/2013/aproveitamento%20 energetico%20de%20rsu_guia%20de%20orientaes_versao_publicacao_on_line.pdf. Acesso em: 10/12/2013. 26 2 6 resíduos municipais envolvendo três grandes regiões metropolitanas sinaliza para um grande potencial de aproveitamento energético com possível viabilidade econômica. 1.2 Objetivos do trabalho O objetivo deste trabalho é modelar e otimizar rotas tecnológicas para o processamento e distribuição dos produtos obtidos a partir de resíduos municipais, utilizando tecnologias consolidadas de geração de energia e processamento dos resíduos sólidos, líquidos e gasosos disponibilizados pela sua destinação pelas cidades das três grandes metrópoles avaliadas. Para isso, é proposto um modelo de otimização com conjuntos de superestruturas, denominado megaestrutura. As superestruturas são conjuntos de tecnologias devotadas a um objetivo específico e que devem contemplar uma grande variedade de alternativas a serem consideradas quando se pretende selecionar uma delas a título de solução de um problema. Diversas superestruturas podem ser apresentadas visando estabelecer as condições de auxílio ao projeto e/ou à operação de sistemas; assim, nesta tese são apresentadas superestruturas para processos térmicos (geração de energia), para processos biológicos (minimização de passivos ambientais) e para processos renováveis (reciclagem). A megaestrutura apresenta um nível de competição e de mutualismo. As tecnologias que compõem a megaestrutura deverão competir entre si pela sua existência em cada unidade de processamento, e ao mesmo tempo deverão contribuir com as demais tecnologias existentes na unidade e/ou em outras unidades de processamento próximas. Os insumos e as energias (térmica e elétrica) excedentes serão comercializados considerando os custos envolvidos no emprego das tecnologias selecionadas. Para atender à demanda de resíduos gerados em um município em cada unidade de processamento será efetuada uma análise das tecnologias consolidadas existentes. Uma análise do potencial de produção de insumos por plantas de processamento de resíduos também será realizada para permitir uma análise financeira, com uma estimativa de custo e preço de venda destes insumos. Devido à grande quantidade de parâmetros que o compõem, o presente problema foi dividido em etapas para facilitar a visualização dos resultados e melhorar o modelo final de otimização, considerando informações de geração de resíduos em cada uma das cidades, como e onde os mesmos têm sido processados, onde têm sido depositados, tecnologias a 27 2 7 serem empregadas, distâncias entre as cidades e locais de disposição final, tarifas envolvidas em pedágios, combustíveis, eletricidade, dentre outros parâmetros. 1.3 Contribuições da tese A presente tese apresenta por contribuição principal o desenvolvimento de um modelo de otimização que integra diversas superestruturas – de processos térmicos (geração de energia), de processos biológicos (minimização de passivos ambientais) e de processos renováveis (4Rs) – em uma megaestrutura para seleção de tecnologias, bem como a definição do número de equipamentos e da capacidade das tecnologias de processamento de resíduos selecionadas para serem implantadas em uma determinada localidade que concentre um número significativo de cidades. Uma outra contribuição, com viés mais matemático, trata da solução do problema em questão através das técnicas tradicionais de otimização matemática, com a utilização do emprego da técnica de algoritmo genético, disponível no software EES (Engineer Equation Solver) Academic Professional (F – CHART, 2014). Os primeiros modelos de otimização foram validados a partir do método do gradiente reduzido implementado no software LINGO 10 ( LINDO, 2014). 1.4 Estrutura da tese Com a revisão bibliográfica (Capítulo 2) são sinalizados parâmetros de operação de tecnologias de processamento de resíduos, com os atuais processos utilizados por empresas especializadas neste setor e com os atuais conceitos estudados em diversas instituições de ensino, pesquisa e indústrias deste setor. No Capítulo 3 são apresentadas as informações necessárias para que seja estudado o cenário com o uso de diversos equipamentos em uma mesma planta e a comunicação entre as plantas de processamento para que haja um ganho de geração de insumos e processamento de resíduos sólidos, líquidos e gasosos, efetuando variação de alguns parâmetros para avaliar as melhores condições operacionais. São estruturados os conceitos necessários para análises termodinâmicas e de seleção de técnicas e equipamentos a serem adotadas. Na fase seguinte, são realizadas as análises financeiras, empregando os métodos do período de amortização do investimento inicial (payback), método do valor presente líquido (VPL) e taxa interna de retorno (TIR). 28 2 8 No Capítulo 4 é desenvolvido um estudo de caso, com aplicação da metodologia anteriormente abordada, referente à composição do lixo urbano da cidade de São Paulo. Neste capítulo de resultados, é verificada a possibilidade de comercialização de reduções certificadas de emissões de carbono equivalente, no caso da implantação dos processos selecionada ao invés de se utilizar somente os aterros sanitários controlados. São comparados os resultados obtidos com outros estudos desta natureza e com plantas existentes e em operação pelo mundo, para obter parâmetros de projeto consolidados em publicações, e ao mesmo tempo parâmetros reais observados em plantas atualmente em operação. O Capítulo 5 encerra este trabalho com as conclusões advindas desta análise. 29 2 9 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA No presente capítulo são abordados os avanços tecnológicos e científicos, bem como técnicas e procedimentos menos impactantes para o tratamento e disposição dos resíduos. São também analisados os avanços na legislação para garantir a segurança e melhoria nos procedimentos de destinação final dos resíduos. São ainda apresentados os aspectos relacionados ao meio ambiente, sendo abordadas as tecnologias empregadas no tratamento e disposição dos resíduos para uma disposição adequada e segura, os avanços tecnológicos nos tratamentos térmicos, tratamentos biológicos estabilizantes, processos de reciclagem, e outras oportunidades. São analisadas as metodologias e estudos sobre tomada de decisão, através de critérios de seleção mais adequados para obter como resultado um processo menos agressivo ao meio ambiente. 2.1 Meio Ambiente 2.1.1 Ecossistema e mecanismos de regeneração O ecossistema é composto por um ambiente físico e todas as diversas espécies orgânicas de uma área específica, ocorrendo interações entre as espécies orgânicas e o ambiente específico. O meio ambiente no planeta Terra é um complexo e delicado equilíbrio entre as espécies, com elevada diversidade biológica e inorgânica, desde os elementos mais simples até os seres de elevada evolução. A legislação brasileira, através da Lei 6.938/81, relativa à Política Nacional do Meio Ambiente define o meio ambiente, para fins jurídicos, como “o meio ambiente, o conjunto de condições, leis, influências e interações de ordem física, química e biológica, que permite, abriga e rege a vida em todas as suas formas” (BRASIL, 1981). Cada indivíduo vivo produz resíduos (sólidos, líquidos e gasosos) que terão de ser absorvidos pelo ecossistema. O homem e todas as suas atividades estão inseridos no planeta Terra. Há uma dependência da humanidade por este sistema, sendo os ecossistemas processos de manutenção da vida dos organismos, incluindo o homem e suas atividades. Sem esses mecanismos proporcionados pelos ecossistemas, a humanidade não teria possibilidade de existir e desenvolver-se. 30 3 0 As ações da humanidade adquiriram proporções consideráveis, afetando o ecossistema global e modificando a saúde e o bem estar dos seres vivos, bem como afetando a qualidade da natureza e as concentrações de diversos elementos dispersos na atmosfera, como o oxigênio, nitrogênio, dióxido de carbono, dentre outros. 2.1.2 Legislação ambiental local Para a “disposição adequada3” dos resíduos é necessário elaborar estudos, metodologias, procedimentos e leis que atendam as normas de segurança nacionais e internacionais. Tais normas são elaboradas e atualizadas em concordância com o nível de desenvolvimento tecnológico que avança para garantir o bem estar e a segurança da população que se localiza próximo e/ou habita os arredores destas instalações. No Brasil, o Ministério do Meio Ambiente é o órgão público responsável por elaborar normas, diretrizes, procedimentos, metodologias e leis. Esses documentos devem ser aplicados em âmbito federal, estadual e municipal, tendo o auxílio de diversas entidades (públicas e privadas) e centros de pesquisa para a elaboração de material técnico, metodologias, levantamentos estatísticos, dentre outros recursos. A Lei Nº 12.305, de 2 de agosto de 2010, que estabelece a Política Nacional de Resíduos Sólidos, apresentou consideráveis avanços no âmbito ambiental, econômico e social para a disposição mais adequada dos resíduos sólidos gerados no município, sendo aplicável aos resíduos com determinadas características, tanto residenciais, industriais, de serviço de saúde e resíduos de poda de árvores, excluídos rejeitos radioativos, regulados por uma legislação especifica (BRASIL(a), 2012). 2.2 Restrições e oportunidades As tecnologias para o processamento dos resíduos apresentam parâmetros operacionais e restrições de operação em função da natureza dos resíduos processados, para a disposição final mais adequada. Existem processos que vão desde a oxidação em elevadas temperaturas e turbulência (incineradores em massa) até processos de separação mecânica das partes 3 Disposição adequada é a metodologia de processamento dos resíduos para melhorar a absorção/regeneração dos elementos depositados em determinada localização, parque de armazenamento, aterro sanitário e outros locais apropriados para a alocação de resíduos. 31 3 1 orgânicas e metais. Um subproduto gerado é o combustível derivado do resíduo, CDR (CIMPAN e WENZEL, 2013). Segundo Carvalho Junior e McQuay (2007) e Song et al. (2012), o crescimento das civilizações caminha em paralelo com o aumento da sua produção e da complexidade técnica de disposição adequada dos resíduos (sólidos, líquidos e gasosos). Segundo Seng et al. (2013), as barreiras da gestão dos resíduos adquiriram tal proporção que se tornou um problema de planejamento complexo de recursos e destinação dos mesmos, apresentando uma demanda crescente por confiabilidade nos processos, multidisciplinaridade nas diversas áreas das engenharias e um desafio complexo nas áreas de administração pública e privada. A dificuldade para encontrar uma solução para os resíduos é comparável a outros problemas atuais, como o abastecimento de água potável, implantação de saneamento básico em residências, os desmatamentos em larga escala e a geração dos gases de efeito estufa (GEE). Este último fenômeno se agrava sob a influência do desmatamento, geração de dióxido de carbono e metano em lixões a céu aberto e o uso de combustíveis, dentre outros processos (CARVALHO JÚNIOR e MAQUAY, 2007). Uma das alternativas para atenuar os efeitos dos GEE no mundo são políticas de incentivo a implantação de tecnologias que reduzem e/ou capturem as emissões de dióxido de carbono equivalente. Em países desenvolvidos se observa certa dificuldade em substituir tecnologias atualmente em uso. Para tanto, foram desenvolvidos mecanismos de incentivo de compra de certificados de redução de emissões, denominados créditos de carbono. Com relação à porcentagem dos projetos de mecanismos de desenvolvimento limpo (MDL), estabelecidas em relação à capacidade instalada (MW) das atividades de projeto aprovadas no Comitê Internacional de Mudanças Global do clima (CIMGC), num total de 2.925 MW produzidos a partir de diversas tecnologias, apenas 415,0 MW não são de origem de fontes hídricas (hidroelétricas e PCH) e do uso de biomassa do bagaço de cana-de-áçucar. Na Figura 1 é possível observar a predominância de tecnologias hídricas na matriz energética brasileira, que vão desde hidroelétricas de grande porte, como a usina hidroelétrica de Itaipu, até Pequenas Centrais Hidroelétricas (PCH), sendo essas tecnologias dependentes do regime de chuvas para manter o nível dos reservatórios. 32 3 2 Figura 1 – Porcentagens da capacidade instalada das atividades de projeto aprovadas. Fonte: RENOVE (2010) Os governos de diversos países incentivam a geração de energia térmica e elétrica com o uso de fontes alternativas, através de subsídios, empregando combustíveis alternativos como a biomassa, biogás proveniente de processos de biodigestão, dentre outros. Segundo Weiland (2003), a produção de biogás em processos de fermentação anaeróbio em biodigestores aumentou consideravelmente desde a Renewable Energy Sources Act (RES) na Alemanha, legislação que permitiu atribuir subsídios pela energia gerada de fontes não fosseis, em um período de vinte anos, tempo que, em média, uma planta dessa natureza opera. O subsídio empregado é uma taxa de compensação: no ano de 2002, o valor da compensação praticada tinha os valores entre 8,6 €$/kWh e 10,10 €$/kWh, dependendo da capacidade e eficiência da instalação da termelétrica (WEILAND, 2003). 2.3 Tecnologias consolidadas de processamento de resíduos As tecnologias de processamento de resíduos foram desenvolvidas para minimizar os danos causados por deposição irregular de resíduos in natura, com risco de contaminação de solo, rios, lençóis freáticos, dentre outros elementos. Nos países com limitação territorial existe a necessidade de gerenciar a deposição dos resíduos em aterros sanitários – com locais de menor área para tais fins, surgiu a necessidade de que fossem desenvolvidos e aplicados processos de redução de volume e massa dos resíduos, assegurando desta forma o aumento da vida útil dos aterros sanitários. 33 3 3 2.3.1 Conceito de 4Rs (reduzir, recuperar, reutilizar e reciclar) O conceito do 4Rs foi desenvolvido para o planejamento do uso racional de substâncias especificas, melhorando o consumo de matéria prima e energia a ser utilização na indústria. Com essa metodologia, é possível gerar economia devido ao uso de elementos reaproveitados, evitando etapas de beneficiamento da matéria bruta. Segundo El-Haggar (2007), a escala sustentabilidade da disposição final mais adequada dos resíduos é apresentada na Figura 2, na qual um determinado processo apresenta um grau de sustentabilidade a partir do grau de manejo da matéria prima. A classificação de sustentabilidade é apresentada do mais para o menos sustentável, respectivamente: a redução, o reuso, a reciclagem, a recuperação (4Rs) e a disposição final. Quanto mais próximas da redução, mais sustentáveis as tecnologias são, e quanto mais próximos da disposição final, menos sustentáveis são os processos (EL-HAGGAR, 2007). Figura 2– Escala hierárquica do manejo dos resíduos, utilizando o conceito 4Rs. Fonte: El-Haggar (2007) A poluição está associada ao desenvolvimento tecnológico, social e industrial da sociedade, por esta consumir energia e/ou gerar resíduos, através dos diversos processos, desde a combustão para a geração termelétrica até a energia para os processos de saneamento 34 3 4 básico . Essa ação causa problemas de ordem política, social e econômica (CARVALHO JÚNIOR e LACAVA, 2003). Segundo Wark e Warner4 (1976 apud CARVALHO JÚNIOR e LACAVA, 2003), as emissões de um processo podem ser classificadas como: emissões atmosféricas; emissões em correntes líquidas; resíduos sólidos e as emissões térmicas. 2.3.2 Incineração Os processos de incineração de resíduos apresentam uma redução do volume e da massa da matéria processada. Em conjunto com o uso da energia dos seus gases de exaustão, a incineração se torna uma tecnologia com atratividade para países com pouco território e com necessidades de energia térmica, mecânica e elétrica. Na Figura 3 é ilustrado um incinerador com tecnologia Waste-To-Energy (WTE) implantado na União Europeia (YUKON ENERGY, 2011). Figura 3– Incinerador com tecnologia Waste-to-Energy utilizado em diversos países. Fonte: Yukon Energy (2011) 4 WARK, K.; WARNER, C.F. Air Pollution – Its Origin and Control. New York: Pub.IEP a Don-Donnelly, 1976. Apud CARVALHO JUNIOR, J. A.; LACAVA, P. T. Emissões em processos de combustão. Florianópolis: Unesp, 2003. 135 p. Disponível em: . Acesso em: 01 mar. 2010. 35 3 5 A incineração é um processo de tratamento de resíduos sólidos, líquidos e gasosos. Seu uso é amplo, podendo-se incinerar desde resíduos oriundos de tratamento hospitalar, com elementos de complexa e elevada toxicidade, até resíduos residenciais, com elevada variedade de composição. Os processos de incineração efetuam a completa destruição dos resíduos; deste modo, se garante o tratamento de diversos resíduos, restando apenas cinzas e gases de exaustão. Segundo Menezes, Gerlach e Menezes (2000), a incineração pode reduzir em 90% o volume e em 75% em massa dos resíduos, tornando o produto final em uma matéria inerte a ser enviada a aterros sanitários apropriados. Isto garante uma possível oportunidade de geração de potência mecânica e térmica em central térmica de geração de potência e/ou cogeração. Um dos problemas apresentados é a taxa de corrosão em determinadas zonas térmicas do incineradores utilizados. Na Figura 4 são apresentados os patamares utilizados por países da Europa e Japão, que identificam as áreas de baixa e alta corrosão em função das temperaturas dos metais e dos gases de processo de combustão, se os parâmetros estão abaixo da curva limite, a taxa de corrosão é baixa, se os parâmetros estão acima da curva a taxa de corrosão é alta. (SWITHENBANK, 2000). Figura 4– Diagrama da corrosão típica em incineradores Fonte: Swithenbank (2000) 36 3 6 De acordo com Fontaine e Védrine (2000), em instalações de incineração os gases de exaustão devem ser homogêneos e controlados após a última injeção de ar para a combustão. A temperatura de 850 °C e a permanência de 2 segundos dos resíduos nos incineradores devem ser mantidas, mesmo em condições fora do ponto de operação mais severas. Para resíduo sólido municipal com teor acima de 1% de substâncias orgânicas halogenadas devem ser tomadas as seguintes medidas: os fornos de incineração devem trabalhar com temperaturas em torno de 1100 °C e o tempo de permanência dos gases deve ser de no mínimo 2 segundos (FONTAINE e VÉDRINE, 2000). 2.3.3 Ciclo a vapor acoplado a incineradores Para Kleis e Søren (2004), a incineração surgiu na Europa, como um modo de processar os resíduos provenientes de residências e indústrias, minimizando os espaços nos aterros sanitários, por serem países de pouca extensão territorial. Em 1897, Lord Kelvin analisou a energia gerada pela queima de resíduos sólidos municipais (RSM) e constatou que com 1 kg de RSM incinerado era possível produzir 1,5 kg de vapor de processo (KLEIS e SØREN, 2004). Segundo Kleis e Søren (2004), com os avanços das tecnologias empregadas para o aproveitamento da energia térmica dos gases de exaustão dos processos de incineração, é possível a geração de vapor a uma razão de 3 a 4 kg de vapor para cada 1 kg de resíduo incinerado. Os cuidados para plantas de incineração e geração de energia devem se atentar para com os poluentes resultantes dos processos de combustão. Para reduzir os poluentes devem ser utilizados filtros apropriado após os gases produzidos na incineração serem utilizados para a produção de vapor de processo em caldeiras acopladas (HOLANDA et al, 2008). Um esquema de incinerador com uma caldeira acoplada é apresentado na Figura 5, na qual o evaporador está a jusante do superaquecedor. De acordo com Korobitsyn et al. (1999), a pressão de trabalho de caldeiras de incineração apresenta um patamar de 3000 kPa a 4000 kPa, sendo que para pressões desta magnitude a área de troca térmica do evaporador é maior que a área do superaquecedor; para pressões de trabalho superiores a 4000 kPa, a área de troca térmica do superaquecedor aumenta e a área do evaporador diminui. 37 3 7 Figura 5– Esquema de um incinerador com uma caldeira acoplada na saída dos gases de exaustão. Fonte: Korobitsyn et al. (1999) 2.3.4 Ciclo combinado A combinação de um ciclo Brayton (a gás) com um ciclo Rankine (a vapor) é chamada de ciclo combinado. Nele se observa um maior aproveitamento do aporte térmico contido no combustível utilizado através de uma cascata energética, como mostrado na Figura 6, que apresenta o diagrama temperatura por entropia de ambos os ciclos termodinâmicos. O potencial térmico do combustível que alimenta o ciclo superior (QH) permite a geração de potência líquida no conjunto a gás5, proporcional à diferença de temperaturas na turbina a gás e no compressor ((T3-T4)-(T2-T1)), produzindo um rejeito térmico que é utilizado como fonte quente para o ciclo inferior (Ciclo Rankine), no qual o potencial térmico QL (diferença de temperatura (T10-T7)) equivale ao que é rejeitado para o ambiente em um condensador, após a geração de nova potência (mostrado na diferença de temperatura (T9-T10)). As preocupações operacionais dos ciclos combinados são focadas na diferença de temperatura entre os gases de exaustão e a temperatura do vapor de processo. Existe um ponto crítico no projeto da caldeira de recuperação denominado de ponto de pinch, definido como a diferença da temperatura dos gases de exaustão na saída do evaporador e a temperatura do vapor saturado. A faixa de operação é estabelecida entre o patamar de 11 °C a 28 °C em processos industriais (BABCOCK & WILCOX, 2005). Caso a diferença de temperatura não esteja neste patamar, haverá consequências de ordem econômica, técnica e ambiental, pois a 5 O termo “conjunto a gás” foi adotado para designar o sistema formado por compressor, câmara de combustão e turbina a gás. 38 3 8 área de transferência de calor aumenta, elevando o custo de equipamento e no investimento final, a o seu projeto e a energia que não poderá ser recuperada. Figura 6– Diagramas T-s dos equipamentos do um ciclo combinado, mostrando a energia entregue do conjunto a gás para o ciclo a vapor. Fonte: adaptado de Martínez-Herranz (1999) 2.3.5 Ciclos híbridos (integrados) O ciclo híbrido é um conjunto de tecnologias distintas que apresenta um grau de interação relevante. Existem os ciclos híbridos de gaseificação e ciclo combinado, de ciclo a vapor com incineradores e ciclo combinado, dentre outros exemplos. Em Korobitsyn et al. (1999), a análise de configurações de ciclos combinados em estrutura de aproveitamento térmico de resíduos sólidos urbanos (ciclos híbridos, ou waste-to- energy plants) foi explorada em diferentes estruturas de vínculos entre os componentes. Com base em análise exergética, foram avaliadas diversas modificações na configuração básica, e determinou-se aquela que apresenta melhores resultados em termos de eficiência. O vapor gerado na caldeira de incineração encontra-se a 4,0 MPa e 400 °C, sendo posteriormente superaquecido a 520 °C e pressão entre 8,0 a 10,0 MPa na caldeira de recuperação para se obter maior geração elétrica na turbina a vapor. 39 3 9 Um problema identificado nos ciclos híbridos é a diminuição no rendimento no incinerador em detrimento ao uso dos gases de exaustão de outro processo térmico, como os gases de exaustão de conjuntos a gás. Uma alternativa seria fornecer ar pré-aquecido para elevar a eficiência do processo de incineração (CONSONNI; SILVA, 2007). Uma possível configuração para uma planta desta natureza é a dada na Figura 7. Nesta configuração são apresentadas as seguintes tecnologias, o incinerador acoplado a uma cadeira sem reaquecimento para produzir vapor até uma determinada condição de superaquecimento, um ciclo combinado com um conjunto a gás e caldeira de recuperação, onde ocorrerá a junção do vapor vindo do conjunto incinerador/caldeira na saída do evaporador, superaquecendo até uma determinada condição. Uma turbina a vapor de condensação com uma extração, para alimentar o desareador. Figura 7– Esquema de uma planta de incineração com valorização do vapor e gases de exaustão tratados e lançados separadamente. Fonte: Balcazar et al. (2013) Segundo Consonni e Silva (2007), a mistura dos gases de exaustão em plantas de incineração em ciclo combinado pode acarretar uma série de problemas técnicos. Os gases de exaustão que saem do conjunto a gás e que passam pela caldeira de recuperação entram no incinerador com uma determinada pressão. Essa pressão não é suficiente para vencer a perda 40 4 0 de carga neste processo, sendo necessário o gasto de energia para acionar ventiladores de indução. A natureza agressiva dos gases oriundos de processos de incineração não permite a elevação dos parâmetros de produção de vapor de processo, levando a uma produção de vapor de menor temperatura na caldeira de incineração, com posterior superaquecimento na caldeira de recuperação integrada ao conjunto a gás (CONSONNI; SILVA, 2007). Para Udomsri et al. (2010), os gases de exaustão do conjunto a gás são empregados, após saírem da caldeira de recuperação, para o pré-aquecimento da água que circula entre a saída do desaerador e a entrada do economizador da caldeira de incineração. Nesse caso se estabelece que a iniciativa de superaquecer o vapor de entrada da turbina a vapor na caldeira de recuperação evita os problemas de corrosão decorrentes das elevadas temperaturas do vapor na caldeira de incineração. O ciclo híbrido de Poma et al. (2010) é proposto com base em dados da cidade de Turim, Itália, visando gerar 160 MW (demanda de potência elétrica) para atender à rede na condição de carga máxima, e 50 MW (demanda de potência térmica) para atender à carga máxima de aquecimento distrital. Um resultado interessante do trabalho está na caldeira de incineração gerando vapor saturado e no fato das curvas de temperatura por carga térmica da caldeira de incineração revelarem temperaturas de exaustão dos gases entre 110 °C e 130 °C, diversamente do que apresentam Korobitsyn et al. (1999) e Stehlík (2011), na ordem de 200 °C. A análise de Branchini (2012) contempla concepções de ciclos híbridos com caldeiras de recuperação de um e de dois níveis de pressão; presença de desareador; diferentes localizações para os economizadores; preaquecimento do ar primário da caldeira de incineração com os gases de exaustão da caldeira de recuperação, dentre outras possibilidades. Os ciclos híbridos têm sido implantados em diversas localidades. Uma delas encontra-se em Brea, Califórnia, denominada Olinda Alpha Landfill, com 22,8 MW (elétrico). Outra unidade encontra-se em Moerdijk, Holanda, denominada von Roll, como projeto de demonstração da tecnologia de ciclos híbridos, sendo composta por três conjuntos a gás (cada unidade com 60 MW, queimando gás natural) e suas respectivas caldeiras de recuperação, e três caldeiras de incineração em paralelo, que produzem vapor a 10,0 MPa/400 °C, que é posteriormente elevado a 520 °C nas caldeiras de recuperação. As turbinas a vapor, com estágios de alta, média e baixa pressão, geram conjuntamente 145 MW (elétrico), operando na unidade inferior (bottoming) do ciclo combinado, sendo o 41 4 1 vapor de média e baixa pressão oriundo das caldeiras de recuperação. A instalação processa 636.000 t/ano de resíduos, produzindo 270 t/h (75 kg/s) de vapor a partir da incineração de 80 t/h (22,2 kg/s) de resíduos com poder calorífico médio de 10.450 kJ/kg. A eficiência líquida do ciclo híbrido é estimada em 30%. A proposta implantada na unidade de Zabalgarbi, em Bilbao, Espanha, é apresentada em Wood et al. (2013), no contexto de uma grande revisão do estado da arte das unidades de recuperação energética a partir de resíduos. Nessa concepção, a caldeira de recuperação é empregada para pré-aquecer e posteriormente superaquecer o vapor gerado na caldeira de incineração, que é elevado de 10,0 MPa e 330 °C para 540 °C. Além disso, os gases de exaustão do conjunto a gás ainda são empregados para o reaquecimento intermediário do vapor expandido na turbina a vapor de alta pressão antes de sua entrada na unidade de baixa pressão. Outra instalação real baseada em ciclo híbrido é a unidade existente em Takahama, Japão, desde 1996 (BRANCHINI, 2012). Composta por um conjunto a gás de 15 MW com caldeira de recuperação, um incinerador e uma turbina a vapor de 10 MW, o sistema é estruturado de modo que vapor é gerado a 2 MPa e 255 °C, e posteriormente superaquecido na caldeira de recuperação até 400 °C. 2.3.6 Biodigestores Os biodigestores são equipamentos que efetuam a digestão anaeróbica da matéria orgânica. Este processo biológico é utilizado para converter os resíduos orgânicos em um produto mais estável, com um menor grau de impacto ambiental ao ser depositado nos solo, sendo utilizado como adubo orgânico para o solo.O biodigestor produz adubo orgânico e o biogás, sendo este uma fonte alternativa de energia renovável. Pode ser utilizado por diversos setores que demandem alguma fonte de combustíveis, substituindo os de origem fóssil e minimizando impactos ambientais (AHN et. al, 2010, e WEILAND, 2003). Segundo Weiland (2003), a geração de energia elétrica é o principal fator para o emprego de processos de digestão anaeróbio no setor primário. Em diversas fazendas é utilizado para a geração elétrica para atender a demanda local, como equipamentos da fazenda e das dependências. A restrição mais significativa de processos de biodigestão anaeróbica está relacionada ao tipo de matéria prima a ser processada. A eficiência na produção de biogás está 42 4 2 diretamente relacionada ao potencial de degradação biológica dos resíduos processados nos reatores (WEISS, 2008). A produção de biogás com matéria orgânica oriundos da agropecuária varia entre 25 a 36 m³/t de massa a ser processada (WEILAND, 2003). Tal faixa de variação é devida ao fato desta matéria orgânica ter sido digerida e os elementos que gerariam mais biogás terem sido absorvidos pelos animais. Uma alternativa para elevar a eficiência na produção de biogás em processos de biodigestão utilizando dejetos oriundos de animais é misturá-lo com resíduos orgânicos produzidos na indústria de alimentos, indústrias agrícolas, mercados, cantinas, setor municipal, serviços de poda e limpeza de ruas, dentre outros, como é mostrado na Figura 8 (WEILAND, 2003 e ANGELIDAKI, ELLEGAARD, 2003). Figura 8– Estrutura da planta de processamento de resíduos orgânicos e geração de biogás utilizando um sistema centralizado de co-digestão dos resíduos sólidos de uma determinada localização. Fonte: Angelidaki e Ellegaard (2003). Segundo Weiss (2008), existem dois tipos de processo de biodigestão dos resíduos orgânicos. Os processos mesófilos operam em temperaturas entre 35 e 37º C, enquanto que os processos termófilos operam em temperaturas entre 55 e 60° C, ambos com reatores de biodigestão anaeróbio, como mostra a Figura 9 o reator mesófilo e na Figura 10 o reator termófilo. Segundo Weiland (2003), um programa de incentivo de geração e uso de biogás em fazendas foi implantado na Alemanha em 1999. Em 2003, mais de 50% das plantas operavam com o procedimento de mistura de substratos, para melhorar a geração de biogás, sendo 7% das plantas com uso exclusivo de substrato animal. 43 4 3 Os reatores de processos mesófilos são de escala menor e geram em processos de bateladas. Os processos termofílicos são de maior escala e processam resíduos sólidos urbanos, que consiste em uma mistura de lodo de esgoto, restos de alimentos, resíduos orgânicos, óleo utilizado dentre outros produtos orgânicos (WEISS, 2008). Figura 9– Biodigestor modelo indiano em corte longitudinal (a) e em perspectiva isométrica com corte longitudinal (b). Fonte: Deganutti et. al. (2003). Figura 10– Planta de biodigestão termofílica em operação. Fonte: UTS (2011). 2.3.7 Aterro Sanitário Segundo Seng et al. (2013), o tratamento mais aplicado em países em desenvolvimento para a disposição final dos resíduos é o aterro de resíduos. Em diversos casos, essas instalações não apresentam cobertura do solo para proteção, sistema de drenagem e processos dos tratamentos dos lixiviados. Além disso, não apresentam sistema de drenagem e armazenamento e/ou queima direta dos gases. Os gases obtidos são compostos por metano, 44 4 4 propano, butano, dióxido de carbono, dentre outros elementos produzidos no interior do aterro (SENG et. al.,2013). Para evitar a emissão de gases de efeito estufa com maior fator de impacto, os gases são queimados na superfície em sistemas de flare. De forma alternativa, os aterros sanitários podem ser utilizados para geração termelétrica – canalizando as saídas dos dutos para filtros (para redução de umidade e enxofre) e posteriormente para motores de combustão interna. Tais gases são aproveitados para a geração de energia elétrica, como ocorre no aterro sanitário Bandeirante, no município de São Paulo, e em outros aterros sanitários, como o instalado em na Capital Belo Horizonte que utiliza motores a gás da Jenbacher e Waukesha, que foram concebidos para proporcionar maior flexibilidade no uso de combustíveis alternativos (GE ENERGY, 2011). Esse tipo de instalação acarreta problemas de contaminação para a população local, em sua maioria formada por catadores de resíduos que trabalham na coleta e revenda como material reciclado, estando sujeitos a diversas contaminações devido à estrutura e deposição dos resíduos, que em sua maioria é composto de matéria orgânica (SENG et al., 2013). Na estruturação do aterro, uma lona é colocada no leito do mesmo para direcionar e não contaminar o solo com chorume, e dutos são instalados para drenar os gases no interior das células do aterro, como é apresentado na Figura 11. Figura 11– Esquema de um aterro sanitário com queima dos gases gerados e com sistemas de controle de poluentes gasosos e líquidos. Fonte: Lixo (2009) 45 4 5 Com o uso dos gases da decomposição dos resíduos e os devidos controles de poluentes, o aterro sanitário pode se tornar um projeto que se beneficia de mecanismo de desenvolvimento limpo (MDL), por meio do qual se permite adquirir reduções certificadas de emissão com a venda do dióxido de carbono equivalente capturado/evitado para outros países desenvolvidos(GE ENERGY, 2011). 2.3.8 Processo de compostagem Esse tipo de processo reduz a quantidade de resíduos que seria depositada em um aterro e elimina os microrganismos patogênicos contidos nos resíduos, reduzindo os fortes odores gerados por matéria em decomposição e gerando um produto com um valor agregado, o composto (adubo orgânico). Tal produto pode ser aplicado como fertilizante e aditivo orgânico no solo, para complementar e preparar o solo para o plantio, meio de crescimento, melhorando as características do solo, aumenta a capacidade de retenção de água e a fixação de nutrientes essenciais para estarem no solo, melhorando o desenvolvimento de plantas (COLÓN et. al., 2010). O processo de compostagem pode ser definido como a decomposição e a estabilização biológica do substrato orgânico contido nos resíduos em ambiente com elevado oxigenação (COLÓN et. al., 2010), diferentemente de processos de biodigestão anaeróbio, que consistem na decomposição e a estabilização biológica dos resíduos orgânicos e líquidos em um ambiente com falta de oxigênio, em reatores anaeróbicos. Na Figura 12 são apresentados os mecanismos de compostagem para um determinado volume de resíduos a serem processados, podendo sê-lo diretamente no solo, onde irá ser depositada a matéria orgânica (SOLE- MAURI et. al., 1999). 46 4 6 Figura 12– A estrutura básica da compostagem para uma unidade com as três fases, com os devidos fluxos de massa e energia. Fonte: Sole-Mauri et al. (1999) 2.4 Análise de tomada de decisão para escolha das tecnologias empregadas Os desafios para a gestão dos resíduos sólidos na União Europeia estão diretamente atrelados a atingir metas de reciclagem e aproveitamento dos resíduos orgânicos, em conformidades com a legislação e diretrizes locais (PIRES, CHANG e MARTINHO, 2011). A seleção de um tratamento adequado para os resíduos urbanos é uma tarefa complexa, na qual um conjunto de critérios deve ser levado em consideração, como a segurança e eficiência do tratamento, para haver o mínimo de impacto ambiental (HERVA e ROCA, 2013). Na literatura técnica encontram-se reportadas diversas técnicas empregadas para o auxílio na tomada de decisão com o objetivo de efetuar escolhas mais adequadas para garantir a melhor seleção de tecnologias de processamento de resíduos, evitando-se assim possíveis ajustes bruscos e/ou parâmetros não considerados na tomada de decisão. Os métodos de tomada de decisão mais empregados são a Análise Hierárquica dos Processos (AHP), o Análise por Redes Neurais dos Processos (ANP), a lógica fuzzy, os modelos de otimização, como a programação linear, sendo este método aplicado neste trabalho. 47 4 7 2.4.1 AHP O AHP (Analytic Hierarchy Process) é uma metodologia de Auxílio Multicritério à Decisão (AMD) que propõe o tratamento de problemas de escolha complexos de forma simples. Uma característica importante do AHP consiste no fato de permitir que seja alcançada consistência na opinião de múltiplos especialistas chamados a opinar sobre o assunto sobre o qual o modelo se debruça, e a partir de procedimentos de teste de consistência entre as respostas obtém-se a convergência de opiniões para, posteriormente, estabelecer uma métrica analítica que embasará a tomada de decisão. A tarefa mais crítica na tomada de decisão é escolher os fatores que são importantes para a escolha (SAATY, 1990). No AHP, os fatores são escolhidos e organizados em uma estrutura hierárquica descendente a partir de uma meta global de critérios, subcritérios e alternativas em níveis sucessivos (SAATY, 1990). Segundo Saaty (1990), este método está baseado em três princípios do pensamento analítico:  Construção de hierarquias: no AHP, o problema de tomada de decisão é decomposto em níveis hierárquicos, como forma de buscar uma melhor compreensão e avaliação dos mesmos níveis.  Priorização: o ajuste das prioridades no AHP fundamenta-se na habilidade do ser humano de perceber o relacionamento entre objetos e situações observadas, comparando pares à luz de um determinado foco ou critério (julgamentos paritários).  Consistência lógica: no AHP é possível avaliar o modelo de priorização construído quanto à sua consistência. Segundo Bhushan e Rai (2004), a metodologia AHP é constituída de sete pilares fundamentais, que são: - escalas de razão, da proporcionalidade e escalas de normalização. - comparações recíprocas e pareadas. - a sensibilidade do principal vector próprio direito. - agrupamento e uso dos pivôs para normalizar a escala. - síntese para criar uma escala de razão unidimensional que represente o resultado total. - posição, preservação e reversão. - integração dos julgamentos dos grupos. Na aplicação do AHP apresentada no trabalho de De Feo e De Gisi (2010), foram consultados especialistas (para selecionar o local mais adequado para a implementação de uma usina de tratamento de resíduos, levando-se em consideração aspectos técnicos) e não 48 4 8 especialistas (para selecionar o local da instalação com melhor aspecto social para a população local) de modo a compor uma matriz de critérios a serem analisados segundo uma metodologia apropriada para estes casos, na qual existe a participação de múltiplos especialistas. O local do estudo, situado em Campanha, sudoeste da Itália, apresenta uma considerável preocupação com o tratamento dos resíduos, sendo que uma das alternativas para atender a esse passivo ambiental é o uso de uma usina de compostagem que deverá ser instalada em um município mais apropriado, segundo a avaliação do método AHP. Os resultados mostraram que alguns parâmetros, como o custo do local da instalação da planta de processamento, são irrelevantes. Porém, outros fatores como o elevado grau de complexidade e biodiversidade dos locais é consideravelmente relevante para o local da instalação. A análise mostrou que os especialistas e não especialistas apresentavam mesma ordem de grandeza dos critérios de avaliação. O AHP foi aplicado em estudo similar por Guiqin (2009) na tomada de decisão do local de instalação de um aterro sanitário na cidade de Pequim. Para tal estudo foram consideradas informações reais da área a ser analisada utilizando o banco de dados do sistema de informação geográfica (SIG) dos locais a receberem um aterro sanitário de modo a atender a região de Pequim. Na referida aplicação foram utilizados fatores ambientais e econômicos; devido à importância deste estudo ser utilizado em países e/ou regiões em desenvolvimento, a característica considerada mais acentuada foi o crescimento urbano acelerado e desorganizado. O processo de implantação no estudo foi considerado útil para a escolha do local de eliminação de resíduos em uma região de rápido crescimento populacional. O método AHP é aplicado em estudos de tomada de decisão em diversas áreas do conhecimento, desde decisões de investimento e ações monetárias, até tomada de decisão de construção de um empreendimento. Uma aplicação é na tomada de decisão de instalação de plantas de processamento de resíduos em determinado município, tendo por principal alvo o município que apresenta melhores características para instalar uma planta de processamento (DE FEO e DE GISI, 2010). Herva e Roca (2013) utilizaram-se do método AHP, de forma comparativa com outros modelos (pegada ecológica, Preference Ranking Organization Method for Enrichment Evaluation – PROMETHEE, e Geometrical Analysis for Interactive Aid, GAIA) para comparar as melhores alternativas para tratamento de resíduos sólidos urbanos. De acordo com os resultados obtidos, o ranking de alternativas (da melhor para a pior) envolveu gaseificação por plasma, tratamento biológico das frações orgânicas com recuperação 49 4 9 energética do combustível derivado de resíduo (CDR), incineração com recuperação térmica e aterramento sanitário. Um modelo de AHP apresentado por Nixon et al. (2014) foi proposto para avaliar alternativas tecnológicas de geração de energia a partir de resíduos sólidos municipais na Índia. As alternativas tecnológicas contempladas foram aterramento sanitário, digestão anaeróbica, incineração, peletização e gaseificação. Os resultados obtidos sinalizaram para uma preferência sobre a digestão anaeróbica e gaseificação, seguida da incineração. Ahmad e Tahar (2014) empregaram o método AHP para a seleção de fontes de energia renovável para o sistema de geração elétrica, com estudo de caso para a Malásia. O modelo foi aplicado considerando quatro critérios principais (técnicos, econômicos, sociais e ambientais) e doze subcritérios (maturidade da tecnologia, eficiência, tempo para construção; custo da tecnologia, vida operacional, disponibilidade da fonte de energia, tarifa paga pela fonte renovável (feed-in tariff); aceitação pública da tecnologia, criação de empregos; redução das emissões de CO2, impactos ambientais, necessidade de área para instalação). Os autores concluíram que as fontes mais favoráveis seriam, sequencialmente, as fontes solar, biomassa (incluindo resíduos sólidos urbanos e biogás de aterro), hidroelétrica e eólica, sendo que a fonte solar se revelou mais inclinada aos critérios econômicos, a biomassa aos critérios sociais, a hidroelétrica aos critérios técnicos e a eólica aos critérios ambientais. 2.4.2 ANP O ANP (Analytic Network Process) é uma metodologia de Auxílio Multicritério à Decisão (AMD) de medição relativa usada para avaliar escalas compostas e índice de prioridade a partir de escalas individuais que representam medições independentes da influência de elementos que interagem com os critérios, de forma a controlá-los. Uma característica importante do AHP consiste no fato de permitir que seja alcançada consistência na opinião de múltiplos especialistas chamados para avaliar sobre o assunto o qual o modelo apresenta, e a partir de teste de consistência entre as respostas obtém-se a convergência de opiniões para estabelecer uma métrica analítica que embasará a tomada de decisão. Através de sua supermatriz, cujos elementos são matrizes de prioridades de coluna, o método denominado ANP capta a dependência e realiza uma realimentação de informações dentro e entre grupos de elementos. O AHP é um caso especial da ANP, com as suas suposições e dependência de conjuntos e elementos, na qual a metodologia de tomada de decisão não foi desenvolvida até agora por problemas das estruturas lineares. 50 5 0 Segundo Saaty (1999), os sete pilares do AHP servir como um ponto de partida para o ANP, fornecendo um quadro geral para lidar com decisões, sem fazer suposições sobre a independência dos elementos de nível superior a partir de elementos de nível inferior, e a independência dos elementos dentro de um nível. O ANP utiliza uma rede , sem a necessidade de especificar os níveis de hierarquia , sendo a influência o conceito central na ANP com suas interações utilizando seus pontos fortes para exercer influência na tomada de decisão . O ANP é composto por duas partes. A primeira parte consiste do controle da hierarquia ou na rede de critérios e subcritérios que controlam as interações entre os elementos a serem analisados. A segunda parte é uma rede de influências entre os elementos e os aglomerados. A rede irá variar de critério a critério na matriz, e a influência é calculado para cada um dos critérios, onde cada uma destas matrizes é ponderada para a prioridade, sendo os resultados sintetizados através da adição de todos os critérios de controle (SAATY, 1999). Köne e Büke (2007) apresentam um modelo de Processo de Rede Analítica (ANP) para determinar a melhor mistura de combustível para geração de eletricidade na Turquia a partir de uma premissa de desenvolvimento sustentável . O modelo proposto é implementado para dois cenários distintos que são estruturados ao longo das linhas de classificação entre mais fracos e mais fortes no critério de sustentabilidad