A geração do biogás em aterros sanitários ocorre quando compostos orgânicos de grande massa molecular são decompostos por bactérias, gerando compostos voláteis (IPCC, 1996).
De acordo com Maciel (2003), o resultado das interações físicas, químicas e biológicas ao longo do processo de degradação dos resíduos é fundamental para a definição das diferentes fases de decomposição e do potencial de geração dos gases no aterro, onde o meio e os microrganismos governam o processo.
O potencial de geração do biogás em aterros é variável e segundo Maciel (2003) pode apresentar valores entre 0 e 240 m3/ton de lixo. De uma maneira geral, a geração do
biogás cresce rapidamente nos primeiros anos de disposição dos resíduos atingindo valores máximos entre 4 e 6 anos. Após esta fase, a produção de biogás decresce lentamente até cessar, após 15-20 anos de fechamento da célula (JUCÁ et al., 2005a). A geração de biogás em aterros pode ser dividida em quatro fases, em função da biodegradabilidade dos resíduos, conforme apresenta a Figura 15. A duração das fases e o tempo de produção de biogás poderão variar dependendo das condições especificas de cada aterro, dentre elas: distribuição de componentes orgânicos no aterro, disponibilidade de nutrientes, conteúdo de umidade dos resíduos e grau inicial
de compactação (TCHOBANOGLOUS et al., 1993; ENSINAS, 2003). Na Tabela 14 são apresentados o resumo das condições e o tempo médio de duração de cada fase.
FONTE: DUARTE, 2006
Figura 15: Análise Qualitativa Típica da Geração dos Principais Gases ao Longo das Fases de Degradação em um Aterro Sanitário
Tabela 14: Fases de Produção do Biogás em Aterros Sanitários
Fases Condição Período Típico
I Aeróbia Horas e 1 semana II Anóxica 3 meses a 3 anos III Anaeróbia, metanogênica. instável 8 a 40 anos IV Anaeróbia, metanogênica. estável 1 a 40 anos V Anaeróbia, metanogênica. declinante 10 a 80 anos FONTE: ESMAP, 2004 apud DUARTE, 2006
No início da Fase I, fase aeróbia, o ar atmosférico é predominante na massa de resíduo. À medida que o O2 vai sendo consumido pelas bactérias aeróbias, o CO2
começa a ser gerado. Na Fase II e III, fases ácidas, a concentração de CO2 representa
a maior parte dos gases gerados no aterro devido aos processos acidogênicos e acetogênicos que resultam na formação de CO2 e H2. No final da Fase III,
metanogênica instável, a população das bactérias metanogênicas começa a crescer, caracterizando o início da geração de CH4 (DUARTE, 2006).
O biogás é gerado na fase metanogênica, Fase IV, sendo composto basicamente pelo CH4 e CO2, numa proporção de 45-60% e 55-40%, respectivamente. Ao final da
degradação dos resíduos orgânicos, Fase V, a concentração destes gases tende a cair e condições aeróbias surgirão, podendo vir a aparecer na massa de resíduo o N2 e
o O2 a depender da susceptibilidade do aterro as condições atmosféricas, conforme o
material de cobertura do aterro. Durante a fase de maturação, o chorume freqüentemente contém os ácidos humidico e fulvico, que dificultam o processo de degradação biológica (TCHOBANOGLOUS et al., 1993).
A quantidade total de gases gerada em aterros é produzida distintamente ao longo do tempo de acordo com as fases de decomposição dos resíduos e os inúmeros fatores intervenientes no processo de degradação. Em geral, o potencial de geração de gases nos aterros pode atingir cerca de 400 m3/ton de lixo seco. Considerando a umidade
média dos resíduos em 40%, estes valores caem para faixa de 240 m3/ton de lixo
aterrado (base úmida). Outros autores afirmam que os resíduos urbanos apresentam capacidade de produção de gases de cerca de 200 m3/ton de lixo (base úmida) ao
longo de todo processo de degradação (EL-FADEL et al., 1997; GANDOLLA et al., 1997 apud MACIEL, 2003). Segundo Henriques (2004), cerca de 100 a 200 m3 de
biogás são produzidos por tonelada de RSU decompostos dependendo de sua composição, condições do meio e operação.
A previsão da geração de biogás é de fundamental importância para estimar o balanço energético e econômico de instalações de recuperação de gás. Para esses fins existem algumas formulações matemáticas, que podem ser baseadas em dados experimentais e teóricos. As formulações experimentais consideram as medições reais dos gases gerados através de lisímetros, digestores ou células experimentais. Os resultados das formulações experimentais são mais precisos, porém de determinação mais difícil, demorada e custosa (JUCÁ et al., 2005a).
Outra forma de determinação do potencial de geração de gases em aterros sanitários é a aplicação de modelos matemáticos ou formulações obtidas experimentalmente. Segundo Firmo (2008) tais modelos se subdividem em: (a) Modelos de Ordem Zero - raramente utilizados, pois considera a geração constante de biogás ao longo do tempo; (b) Modelos de Primeira Ordem - atualmente os mais utilizados para a estimativa global e nacional das emissões de metano, pois são consideradas a velocidade de biodegradação dos resíduos e sua composição; e (c) Modelos Biocinéticos - classificam os resíduos em subclasses, geralmente sob o aspecto de
biodegradabilidade como rápida, moderada e lentamente degradáveis, considerando diferentes velocidades de decomposição para cada componente, além de incorporar o efeito de diversas outras variáveis físico-químicas (temperatura, umidade, ph) e microbiológicas (concentração dos microrganismos).
2.5.1.1 Fatores Intervenientes na Geração de Biogás em Aterros
São muitos os fatores que afetam a geração de gases em aterros RSU. Segundo El- Fadel et al. (1997) apud Maciel (2003), os fatores mais comuns estão relacionados com a composição, umidade, temperatura e pH da massa de resíduo, além da disponibilidade de bactérias e nutrientes e presença de agentes inibidores na célula. Somados os condicionantes citados anteriormente, para Maciel (2003) fatores relacionados à geometria e operação do aterro, bem como o ambiente externo à célula também são determinantes na geração de gases conforme mostra a Figura 16. Ainda segundo o autor, o resultado da interação física, química e biológica de todos estes fatores ao longo do processo de degradação dos resíduos é fundamental para definição das diferentes fases de decomposição do lixo e do potencial de geração dos gases no aterro.
FONTE: MACIEL, 2003
Figura 16: Fatores Intervenientes na Geração de Gases em Aterros
Geometria e Operação do Aterro
- Dimensão do Aterro - Impermeabilização
- Compactação dos Resíduos
Características Iniciais dos Resíduos
- Composição dos Resíduos - Umidade dos Resíduos
Ambiente Interno Ambiente Externo
- Precipitação e Infiltração
- Variação da Pressão Atmosférica - Temperatura
- Evapotranspiração - Umidade Relativa do Ar - Umidade da massa de degradação
- pH das células - Temperatura
- Disponibilidade de Nutrientes/bactérias - Presença de Agentes Inibidores
(a) Geometria e Operação do Aterro
Para Maciel (2003), dentre as principais características da geometria do aterro para geração dos gases estão a altura da massa de lixo e o sistema de impermeabilização da célula. A altura de lixo para predomínio das fases anaeróbias deve ser maior que a profundidade de lixo influenciada pelas condições atmosféricas. Já o sistema de impermeabilização da célula atua reduzindo os efeitos das condições atmosféricas na massa de lixo. A operação do aterro também influencia os processos de decomposição dos resíduos, haja vista que redução do volume do lixo por compactação e a utilização de pequenas áreas de operação para um rápido fechamento das células reduz o processo aeróbio. A compactação do lixo, por sua vez, tem relação direta com a produção de gás, já que quanto maior a densidade alcançada, mais acentuada é a produção de gás por unidade de volume.
(b) Características Iniciais dos Resíduos
Segundo Tchobanoglous et al. (1993) a composição e umidade dos resíduos na chegada ao aterro são fatores de suma importância na avaliação da geração dos gases.
A composição dos resíduos afeta quantitativamente e qualitativamente a produção dos gases. A disponibilidade de frações mais facilmente degradáveis (carboidratos, proteínas e lipídios) significa uma maior quantidade de substrato para a atuação de microorganismos (MACIEL, 2003). Segundo Pecora (2006), quanto maior a porcentagem de material orgânico no resíduo, maior o potencial de geração de metano e vazão de biogás.
(c) Ambiente Interno
As características do ambiente interno da célula estão associadas à capacidade de favorecimento ou inibição das atividades bacterianas. A Tabela 15 sintetiza os principais parâmetros relacionados com o ambiente interno da célula e sua influência na produção do biogás levantados por Maciel (2003).
Tabela 15: Parâmetros do Ambiente Interno e suas Implicações na Geração do Biogás
Fatores do Ambiente Interno Implicação na Produção de Biogás
Umidade da massa - Aumento da geração de biogás em umidades variando de 40 a 60% pH - Maximização de produção de metano: pH neutro (6,8 a 7,4) Temperatura - Temperatura ótima para produção de biogás: 35 a 45ºC Disponibilidade de Nutrientes e
Bactérias
- Favorecimento com excesso de nutrientes (N, P e traços de outros)
- Presença de bactérias metanogênicas e acetogênicas aumenta a geração de biogás
Agentes Inibidores
- Metais pesados (Cu, Zn, Ni e Cr) - Ácidos em excesso
(Na > 5.500 mg/l, K e Ca > 4.500 mg/l, Mg >1.500 mg/l) FONTE: MACIEL, 2003
(d) Ambiente Externo
Segundo Maciel (2003), mudanças no ambiente interno do aterro podem ser provocadas pela variação dos condicionantes externos. Estas alterações são ocasionadas principalmente pela entrada de O2 para o interior da massa de lixo e
secundariamente por variações de temperatura. O ingresso de O2 ocorre tanto na
forma dissolvida, por meio de águas pluviais que infiltram pelas camadas argilosas, quanto na forma gasosa, devido ao aumento da pressão atmosférica local. Neste último caso, o oxigênio presente na atmosfera percola pelo sistema de cobertura uma vez que a permeabilidade das argilas (em geral não saturadas) aos gases é elevada. O grau de influência da temperatura irá depender do gradiente existente entre a temperatura local e a interna (massa de lixo) nas diferentes épocas do ano.
2.5.2 Características e Composição
O biogás gerado no aterro pode ter em sua composição diversos gases, dependendo da composição do resíduo e da fase de decomposição em que se encontra. Os principais constituintes são o metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), hidrogênio (H2),
nitrogênio (N2), oxigênio (O2) além de outros compostos em quantidades menos
representativas como o gás sulfídrico (H2S), propano (C3H8), butano (C4H10) e outros.
Em geral, cerca de 100 a 200 m3 de biogás são produzidos por tonelada de RSU
decompostos dependendo de sua composição, condições do meio e operação (HENRIQUES, 2004).
As características dos gases que compõe o biogás gerado em aterros sanitários são apresentadas na Tabela 16.