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Estudo da viabilidade técnico econômica para a produção de energia limpa através do biogás oriundo de efluente doméstico - Estado da arte. Aline Maia Dornelas de Oliveira, Edvânia Diniz dos Santos, Marques Teles Ramos dos Santos, Matheus Neri Araújo Gonçalves Resumo Esse trabalho busca levantar e sistematizar informações sobre o Biogás proveniente do esgoto doméstico para uma melhor compreensão desde sua criação até a sua utilidade atualmente. Desde a descoberta dos gases gerados pelas redes canalizadoras de esgoto foi possível constatar a presença de gases como metano (CH4) e gás carbônico (CO2), onde caso o esgoto doméstico não é tratado é emitido uma quantidade maior de gás carbônico (CO2) devido os resíduos serem despejados em rios ou lagos causando a fermentação aeróbica. No processo de tratamento anaeróbio de esgoto, alguns gases poluentes são gerados, formando o biogás. Nesta combinação de gases, acha-se o metano (CH4), que possui grande poder calorífico, acrescentando ao biogás um potencial energético capaz de produzir energia elétrica como fonte de energia limpa. Palavras-chave: Esgoto doméstico, Biogás, Energia Limpa, Efeito Estufa; Energia elétrica. INTRODUÇÃO Os problemas ambientais causados pela poluição do planeta têm sido cada vez mais preocupantes. A industrialização dos serviços e a alta produção de mercadorias fez com que cada vez mais ocorresse a emissão de gases poluentes na atmosfera e a geração de resíduos que acabam sendo descartados incorretamente. Vem sendo despertado o interesse das autoridades e da opinião pública mundial à respeito do aumento gradativo da temperatura média da Terra em consequência do aumento da concentração de gases de efeito estufa (GEEs). Principalmente o dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) e óxido nitroso (N2O) tendo em vista que são provenientes na maioria das situações da atividade industrial, agrícola e de transportes, e isto em função do uso de combustíveis fósseis. Este aquecimento global pode ter consequências sérias para o planeta e para sua população, como, por exemplo, mudanças nos padrões climáticos mundiais. A Convenção-Quadro das Nações Unidas sobre Mudança do Clima (CQNUMC), adotada durante a Conferência Rio-92, foi um passo importante dado pela comunidade internacional para atingir o objetivo de alcançar a estabilização das concentrações de GEEs na atmosfera em nível que impeça uma interferência antrópica perigosa no sistema climático. Esta Convenção não determina como atingir este objetivo, mas estabelece mecanismos que possibilitem negociações em torno dos instrumentos necessários para que ele seja alcançado. Assim, foi adotado, em dezembro de 1997, o Protocolo de Quioto, que estabelece metas de redução de emissão de gases de efeito estufa e mecanismos adicionais de implementação para que estas metas sejam atingidas. As metas de redução são diferenciadas entre as Partes, em consonância com o "princípio das responsabilidades comuns, porém diferenciadas", adotado pela CQNUMC, e deverão ser atingidas no período compreendido entre 2008 e 2012 (BRASIL. SENADO FEDERAL, 2004, p. 12). O Protocolo de Quioto veio com o intuito de buscar uma melhor relação da humanidade com o meio ambiente, tentando reduzir o quantitativo de gases na atmosfera os quais contribuem para o avanço do efeito estufa no mundo. Foi verificado que a temperatura terrestre estava aumentando cada vez mais, e o protocolo busca fazer com que os países invistam em fontes energéticas renováveis, limitem a emissão de metano, fazendo uso da tecnologia limpa para manter o controle e evitar a agressividade abundante contra o meio ambiente. Um dos mecanismos propostos é o Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL), o único que permite a participação de países em desenvolvimento em cooperação com países desenvolvidos. O objetivo final da redução das emissões pode ser atingido, assim, por meio da implementação de atividades de projetos nos países em desenvolvimento que resultem na redução das emissões de GEEs ou no aumento da remoção de CO2, mediante investimentos em tecnologias mais eficientes, substituição de fontes de energia fósseis por renováveis, racionalização do uso da energia, florestamento e reflorestamento, entre outros (LOPES, 2002). A partir do momento em que o ser humano passa a investir mais nas fontes renováveis cuidando do meio ambiente ao aumentar e preservar as áreas verdes, o protocolo garante estabilidade para um futuro de descobertas e investimento em alternativas eficientes. Em países populosos e com auto índice de consumo como o Brasil são gerados consequentemente resíduos (líquidos e sólidos) em altas quantidades, o que resulta na alta emissão de gases. Neste sentido, o Protocolo de Quioto surge como uma grande oportunidade, não só para que o mundo comece a agir efetivamente em prol do meio ambiente, mas também como um meio para que os países em desenvolvimento busquem o desenvolvimento sustentável, estimulando a produção de energia limpa para a redução das emissões de GEEs e, com base na cooperação internacional com países desenvolvidos, beneficiem-se com a transferência de tecnologia e com o comércio de carbono. Para o Brasil em especial, o Mecanismo de Desenvolvimento Limpo pode ser muito interessante, já que aproveita um grande potencial brasileiro para a produção de energia limpa, e possibilita que o país desempenhe papel importante no contexto ambiental internacional (VIDAL, 2003). Atualmente no Brasil são poucas as redes de esgoto existentes, apesar do avanço no saneamento muitas residências ainda utilizam as fossas sépticas como solução para os efluentes gerados, entretanto as fossas muitas das vezes são construídas de forma incorreta. Além da falta de mais redes de esgoto, menos da metade das redes já existentes são levadas para uma ETE (estação de tratamento de esgoto). Ou seja, o restante é despejado diretamente na natureza causando diversos problemas ambientais, inclusie doenças que afetam diretamente a população. Esse artigo tem como viabilidade social, diminuir os danos ambientais reduzindo assim também a taxa de doenças causadas pela proliferação desses gases na atmosfera. Pensando também no estudo cientifico tem como maximizar o conhecimento a respeito de novas alternativas de energias limpas, as quais podem funcionar como “válvula de escape” para o futuro do país. Tendo como objetivo estudar viabilidade técnico econômica para a produção de energia limpa através do biogás oriundo de esgoto doméstico. Propondo demonstrar o quanto de energia elétrica pode ser produzida através do Biogás oriundo do esgoto doméstico; abordar estudos referentes ao aproveitamento de Biogás como energia limpa; analisar dados sobre a redução do efeito estufa com a conversão do esgoto doméstico em Biogás; comparar viabilidade de implantação do processo com ou sem purificação do biogás. REFERENCIAL TEÓRICO Tratamento de esgoto no Brasil Infelizmente a maioria das casas no Brasil não possui redes coletoras de esgoto apesar do avanço no saneamento sanitário/ambiental. A captação desse esgoto e encaminhamento para uma estação de tratamento é o que seria necessário que ocorresse em todos os segmentos que geram dejetos, para que esse efluentes voltem a ter parâmetros cabíveis para serem lançados novamente nos mananciais e o ciclo prossiga de abastecimento de água tratada e coleta da água suja. Porém isso não ocorre na maioria dos locais, algumas das vezes que existe a coleta do esgoto, nem sempre é levado para tratamento e sim lançado diretamente em rios, lagos, mananciais e etc. Segundo dados no Brasil, 83,3 % da população são atendidos com fornecimento de água tratada e 35 milhões de brasileiros ainda não possuem acesso a este serviço, este número demonstra o quanto ainda se deve investir em saneamento em nosso país. De acordocom dados fornecidos pelo SNIS 2015 e o Instituto Trata Brasil, para cada 100 litros de água tratada, 37% não são consumidas, ou seja, se torna esgoto. Com base em dados analisados pelo SNIS no ano de 2016 apenas 45% do esgoto gerado no Brasil passa por tratamento. Isso quer dizer que os outros 55% são despejados diretamente na natureza, o que corresponde a 5,2 bilhões de metros cúbicos por ano ou quase 6 mil piscinas olímpicas de esgoto por dia. Assim comprovando que o saneamento tem avançado no país nos últimos anos, mas pouco em relação a demanda já existente. Estações de Tratamento de Esgoto (ETE) As ETEs fazem parte do sistema de saneamento como unidades operacionais tendo como objetivo receber águas residuais provida de residências e/ou indústrias e devolve-la após tratada a corpos d’água como lagos e rios tornando os impactos ambientais e sanitários consideravelmente inferiores em relação aos impactos gerados se fossem lançados sem o devido tratamento. Esse tratamento é feito a partir da utilização de processos físicos, químicos e biológicos. Segundo SALAMA, 2017 durante o processo de tratamento há a separação da parte sólida dissolvida na água, resultando em efluentes de três tipos: gasosos, líquidos e sólidos úmidos (lodo). Este processo de tratamento é longo e detalhado, dividido em várias etapas, sendo algumas delas; gradeamento, desarenação, decantador primário peneira rotativa, digestão anaeróbica, adensamento do lodo entre outras, são elas que tornam possível o lançamento deste efluente a natureza novamente. Impacto ambiental produzido pelo esgoto doméstico não tratado A maioria dos esgotos domésticos quando não são lançados em fossas secas, que na maioria das vezes são construídas de forma incorreta degradando o solo e possíveis lenções freáticos se ali houver, são direcionados a locais indevidos como em ruas, locais abertos proliferando mosquitos incluindo o a Aedes Egípcio causador da dengue, ou em rios, lagos e mares os poluindo e causando a morte dos seres vivos que ali habitam. Segundo uma pesquisa feita pela ONG SOS Mata Atlântica (2014), apenas 11% dos rios mapeados foram considerados de boa qualidade, 49% dos rios são considerados em estado regular, no entanto, 35% estão em estado ruim e 5% em estado crítico. A partir desses dados fica notório a necessidade de mais projetos e aplicações de investimentos públicos em prol de construções de tratamentos de esgotos no intuito de diminuir os impactos ambientais gerados pelo esgoto doméstico não tratado. Energia Limpa Quando tratamos de energia limpa nos referimos a produção de energia a qual não emite poluentes na atmosfera e que apresenta impacto ambiental mínimo, na maioria das vezes apenas no local de instalação. Conforme Gomes et al. (2017, Vol. 3, N. 07) o que tem incentivado o desenvolvimento de pesquisas relacionadas à conscientização da utilização de dejetos gerados, principalmente, por ETEs e por aterros sanitários, tem sido a preocupação com os impactos ambientais provenientes do descarte incorreto de resíduos e emissão de poluentes na atmosfera, além do interesse na utilização de energia limpa e renovável que vem crescendo. A iniciativa de produzir energia a partir de resíduos resulta na redução dos problemas ambientais já existentes, redução de custos relacionados a processos industriais ou etapas do tratamento de esgoto e maximização da eficiência energética. São diversos os benefícios gerados através da produção de energia limpam principalmente quando se trata de energia produzida através do biogás oriundo de esgotos domésticos que na maioria das vezes não possui destinação correta. Biodigestores Os Biodigestores são compartimentos fechados onde são depositadas matérias orgânicas provenientes dos resíduos da produção vegetal, animal, industrial ou a partir de atividades humanas como o esgoto doméstico que é o enfoque deste trabalho. Dentro dele ocorre a decomposição do mesmo, produzindo biogás e biofertilizante. Digestão anaeróbica é o nome dado ao processo que ocorre dentro do biodigestor, realizada através de bactérias anaeróbicas. São diversos tipos de biodigestores existentes, cada um com diferentes especificações quanto ao seu processo, que varia a depender do material utilizado, condições do local, entre outros fatores. Para Paula Caixeta (2017) a produção de biogás é proveniente da criação de um meio propício para que as bactérias metanogênicas atuem sobre a matéria orgânica e produzam esse combustível a partir de uma rota biológica definida. Esse ambiente favorável à produção do biogás refere-se às condições químicas e físicas necessárias ao desenvolvimento dessas bactérias dentro do biodigestor, as quais são determinadas em certas faixas de temperatura, pH e relação carbono/nitrogênio (C/N) da biomassa. O biodigestor é constituído por um reservatório que armazena a biomassa por um determinado tempo, e por uma câmara (gasômetro) que armazena o biogás produzido. O biogás fica retido na parte livre do biodigestor e em seguida pode ser canalizado para ser utilizado em diversas aplicações, como processos de aquecimento, resfriamento, ou na geração de energia elétrica. Biogás As pessoas com o passar do tempo vem consumindo cada vez mais, e consequentemente o aumento de resíduos vem crescendo. Quando não tratado e descartado da melhor forma possível, os resíduos acabam prejudicando o meio ambiente e até mesmo a saúde dos próprios seres humanos. Os gases em contato com a atmosfera, contribuírem consideravelmente para o efeito estufa. Animais surgem nesses locais onde há falta de tratamento, o que acarreta numa série de doenças como dengue, malária, febre amarela (transmitidas por insetos), peste bulbônica, desinteria (transmitidas por ratos), além de leptospirose (transmitida pelos ratos e também pelos urubus). Uma possível saída para o país diante das situações que o mau tratamento do lixo apresenta e diante do cenário atual de muita concentração nas hidrelétricas como fonte para a matriz energética é o investimento no biogás. Segundo CLASSEN; LIER; STAMRS (1999) em 1667 ouve a descoberta do gás dos pântanos, mais conhecido como biogás. Mas só Alessandro Volta em 1776 descobriu que havia presença do metano no gás dos pântanos. Em 1884, Louis Pasteur, ao apresentar os trabalhos do seu aluno à Academia das Ciências, considerou que esta fermentação podia constituir uma fonte de aquecimento e iluminação. Foi de extrema importância o surgimento de estudos voltados ao biogás que partiram daquela época e vem ganhando mais força nos dias atuais. O biogás surgiu como uma alternativa renovável sendo uma possível solução do problema que já vem sendo falado a bastante tempo, o efeito estufa. Diante do alto volume de metano e entre outros gases que são encontrados na atmosfera oriundos de resíduos (matéria orgânica) que surgem em dentrimento da ação humana. Os primeiros países a utilizarem o processo de biodigestão de forma mais intensa e com finalidade energética foram a Índia e a China (décadas de 50 e 60), sendo que esses países e outros, geralmente do terceiro mundo, desenvolveram seus próprios modelos de biodigestores (NOGUEIRA, 1986). Partindo do princípio que é algo de fácil entendimento para as tecnologias já existentes, o biogá vem ganhando mais espaço a cada dia. Suas propriedades químicas são a níveis de domínio do conhecimento técnico da maioria dos países, como já estudado a fundo, ele nada mais é que a mistura de se dá diante da fermentação anaeróbica de materiais orgânicos encontrados por todo lado, como: efluentes industriais, resíduos vegetais, resíduos animais e até mesmo no lodo de esgoto doméstico. A composição típica do biogás é cerca de 60% de metano, 35% de dióxido de carbono e 5% de uma mistura de hidrogênio, nitrogênio, amônia, ácido sulfídrico, monóxidode carbono, aminas voláteis e oxigênio (WEREKO-BROBBY; HAGEN, 2000). Dependendo da eficiência do processo, influenciado por fatores como carga orgânica, pressão e temperatura durante a fermentação, o biogás pode conter entre 40% e 80% de metano. Ou seja, diante da quantidade de resíduos sólidos e líquidos encontrados no Brasil por ano, a energia através do biogás é uma ótima opção, até porquê diante da tecnologia existente no território brasileiro, essa opção seria de grande importância para a matriz energética do país. Figura 1 - Biodigestor destinado ao tratamento de esgoto. Fonte: Sanear Brasil Emissão dos Gases incentivadores do efeito estufa Os gases presentes na atmosfera podem contribuir de forma direta ou indireta para o efeito estufa. Efeitos diretos ocorrem quando o próprio gás absorve radiação. Já os efeitos indiretos ocorrem quando reações químicas produzem outros gases de efeito estufa, quando determinado gás influencia o tempo de vida de outros gases ou quando afeta os processos atmosféricos que alteram o equilíbrio radioativo da terra (USEPA, 2009). O efeito estufa se dá pela concentração de gases provenientes de ações antrópicas que perturbam no balaço natural dos gases, geralmente são elas: tratamento e disposição de resíduos, queima de combustíveis fósseis em indústrias, veículos e em usinas termoelétricas. No atual caso, é analisada a emissão a partir do tratamento do esgoto onde visa remover os poluentes afim de adequar o líquido a qualidade exigida por legislação, qualidade a qual se relaciona com a eficiência do processo utilizado. No Brasil, as metodologias mais utilizadas são: sistemas sépticos, reatores anaeróbicos e lagoas anaeróbicas, além do uso de corpos hídricos como destinação final do líquido tratado. No processo de tratamento do esgoto, são emitidos principalmente: dióxido de carbono, metano e óxido nitroso. A origem da emissão do CO2 (dióxido de carbono) se dá baseada na demanda energética de uma ETE (Estação de Tratamento de Esgoto), onde ocorre a queima no processo de tratamento do efluente, porém, a emissão é considerada biogênica, não alterando no balanço dos gases e não contribuindo para o efeito estufa. O CH4 (metano) é proveniente dos tratamentos anaeróbicos, onde a matéria orgânica é submetida, são eles: hidrólise, acidogênese, acetogênese e metanogênese. A produção de CO2 e CH4 ocorre por meio da clivagem do acetato. Já no caso N2O (óxido nitroso), as emissões podem acontecer de forma direta (nas ETE’S) ou de forma indireta (águas residuárias lançadas nos corpos d’água), onde a maior emissão de nitrogênio no setor de esgotos ocorre pela nitrificação (via aeróbia) e desnitrificação (via anóxica) em estuários e rios. Viabilidade econômica da implantação de ambos os processos (com e sem purificação) Nos últimos anos, a utilização de tratamento anaeróbio de esgotos domésticos tem- se mostrado economicamente viável no Brasil. Para tanto, tem sido adotada essa tecnologia como instrumento para promoção da universalização do saneamento, apesar de grande parte da população ainda não dispor deste serviço. Segundo o Sistema Nacional de Informações sobre o Saneamento (SNIS) (MINISTÉRIO DAS CIDADES, 2014), apenas 56,3% dos municípios avaliados possuem rede coletora de esgoto e apenas 69,4% do esgoto coletado é tratado. Além de uma altenativa de direcionamento do efluente doméstico, o biogás porduzido pelos biodigestores possibilitam a extração de subprotudos como a produção de energia elétrica. As empresas que utilizam o biogás proveniente do esgotamento sanitário podem adotar o sistema de cogeração de energia com utilização dos gases de exaustão para aquecimento dos digestores e do secador de lodo, aumentando a eficiência do processo com concomitante redução de custos de instalação e possibilidade de comercialização do excedente de eletricidade (CENBIO, 2001). O biogás que é produzidos pelas empresas possuem um grande teor ácido que pode acabar corroendo e danificando as tubulações e maquinário. Sendo asssim alguns processos de purificação são utilizados para diminuir essa acideza. Entretanto, segundo Gomes et al. (2017) quando comparados o potencial energico produzido por um biogás natural e um purificado fica evidente que o purificado perde a produção energetica, principalmente pela deficiencia na combustão do gás, mas a queima do biogás sem a purificação pode acarretar em serios prejuizos ao sistema de produção de energia elétrica. Quando comparados com relação ao custo de implantação e operação de duas plantas semelhantes, mas uma utilizando processos de purificação e a outra não, percebesse que a purificação do biogás eleva os custos por possuir uma maior complexidade de execução e monitoramento durante os processos. Gomes et al. (2017) apresenta uma planta com custo de operação de US$ 4.058.00,00 utilizando os processos de purificação, e outra com custo de US$ 2.179.710,00 sem os processos de purificação, o que representa um aumento de 46%. Mesmo assim os processos de purificação são necessários para evitar a corrozão do sistema e trazer prejuizos futuros. Metodologia O estudo será do tipo comparativo, feito por intermédio de revisão de literatura, com abordagem qualitativa, através de uma revisão sistematizada nas bases de dados: SCIELO (Scientific Eletronic Library Online), Google Acadêmico, além de outras publicações eletrônicas de respaldo em território nacional encontrados no Domínio Público, cuja trajetória metodológica se apoia nas leituras exploratórias e seletivas desse material. Para seleção foi respeitado os critérios de inclusão, fazendo parte da pesquisa apenas artigos científicos nacionais e internacionais publicados entre os anos 2000 e 2020. Resultados e Discussões Segundo Billota (2016), foi possível concluir que a energia proveniente do metano gerado na estação corresponde (ETE Santa Quitéria) a aproximadamente 59% do consumo médio mensal da unidade durante o levantamento de 8 meses, ficou perceptível que esse valor representa uma redução significativa na demanda externa de energia elétrica para o funcionamento das instalações da ETE Santa Quitéria, resultando em benefício econômico direto para a companhia de saneamento. No Brasil ainda há uma grande porcentagem da população que não tem acesso ao tratamento adequado do esgoto, sendo que a maioria do encaminhamento desses esgotos são os corpos d’água, muitas das vezes ainda na forma bruta, ou seja, sem nenhum tipo de tratamento visando diminuir os impactos ambientais. De acordo com o Balanço Nacional Energético (BEN 2004), o Brasil detém apenas de 1,21 a 1,30% do total de produção de energia a partir do biogás. Quando comparado com os países europeus, o Brasil fica demasiadamente para trás, quando na Europa se tem modelos de apoios para a produção doméstica de biogás, visando os pequenos consumos. No gráfico abaixo, pode-se observar a grande evolução que a Europa teve em relação aos demais continentes, tendo em vista em comparação principalmente com a América do Sul. Figura 2 - Evolução da capacidade instalada global da planta de biogás elétrica. Fonte: Elsevier Existem alguns diferentes modos para que possa tratar o esgoto, e transforma-lo em energia através do biogás, dentre esses modos temos, a lagoa anaeróbia, a fossa séptica, os reatores anaeróbios e os digestores anaeróbios de lodo, o qual é proveniente do sistema de lodos ativados. Os processos que foram citados, são os que causam mais emissões do gás metano, isso possivelmente devido a condição de anaerobiose. Porém nas lagoas, o metano é produzido em menor quantidade, quando comparado as fossas sépticas, isso porque ocorre o processo de decantação no efluente tratado na fossa. Apesar de ter diversas vantagens em relação a diferentes métodos tradicionaisde produção de energia, a produção a partir do biogás, mais especificamente no modelo anaeróbio, possui em uma das suas desvantagens o processo lento, com isso terá que aumentar o volume do digestor e o custo consequentemente também irá aumentar. Porém com o desenvolvimento da tecnologia, pode-se aprimorar esse método de produção, fazendo assim reduzir as desvantagens. Considerações finais Foi possível perceber a carência relacionada à falta de saneamento básico no Brasil. Entretanto esse cenário é mais visível em populações mais carente, principalmente as que reside em comunidades e zonas rurais, sofrendo diretamente com a falta de esgotamento sanitário. Conforme dados apresentados apenas uma porcentagem de 45% da população possui o benefício de serem contemplados com rede coletora de esgoto e tratamento do mesmo. Por isso os órgãos governamentais necessitam uma demanda maior de atenção a esse cenário e investir mais em saneamento, pois além de ocasionar doenças a população a rede de saúde ainda não é suficiente para dar conta da demanda e consequentemente gera sofrimento na população. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/biogas Podemos observar que a utilização do biogás não se deve manter o foco apenas em interesses econômicos. Na sua utilização como fonte de energia elétrica nos motores de combustão ou fazer a sua queima evita a emissão e a proliferação de gás metano para a atmosfera, gás esse que contribui com grandes taxas para o efeito estufa. Infelizmente não é o que ocorre, pois a instalação e a compra dos equipamentos para que essa captação acontece tem um valor elevado fazendo assim a perde de interesse politica. 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