Potencial energético de resíduos sólidos domiciliares do município de Ponta Grossa, Paraná, Brasil

Energy potencial of household solid waste (HSW) in the city of Ponta Grossa, Paraná, Brazil

RESUMO

A disposição dos resíduos sólidos domiciliares (RSD) é um desafio na maior parte dos municípios brasileiros, pois é realizada sem tratamento prévio, trazendo inúmeros impactos. A utilização de incineração com recuperação energética possibilita a redução dos impactos. O objetivo deste estudo foi analisar o potencial energético dos RSD do município de Ponta Grossa, Paraná, Brasil. Para isso, foram coletadas amostras no aterro do município para a realização das análises. A caracterização gravimétrica apresentou valores de 0,28 kg kg^-1 para os recicláveis, 0,44 kg kg^-1 para a matéria orgânica e 0,28kg kg^-1 para os rejeitos. Os conteúdos de carbono fixo variaram de 0,06 a 0,09 kg kg^-1, os de materiais voláteis de 0,75 a 0,81 kg kg^-1 e os de cinzas de 0,10 a 0,18 kg kg^-1. E o poder calorífico superior médio apresentou valor elevado, 19.807 kJ kg^-1, se comparado com o de resíduos de outras cidades do mundo.

Palavras-chave:
poder calorífico; incineração; recuperação energética

ABSTRACT

Household solid waste (HSW) disposition is a challenge for the majority of the Brazilian cities, most held without pretreatment, which causes impacts. Incineration with recovery energy is an alternative to reduce impacts. In this study we analyzed the energy potential of HSW in the city of Ponta Grossa, Paraná, Brazil. Samples were collected at the municipal landfill for the analysis. Waste gravimetric characterization showed value 0.28 kg kg^-1for recyclables, 0.44 kg kg^-1for organic matter and 0.28 kg kg^-1 for rejects. The fixed carbon content ranged from 0.06 to 0.09 kg kg^-1, the volatile materials from 0.75 to 0.81 kg kg^-1 and ashes from 0.10 to 0.18 kg kg^-1. The average gross calorific value showed high value, 19,807 kJ kg^-1, compared to the waste of other cities in the world.

Keywords:
heat value; incineration; energy recovery

INTRODUÇÃO

As fontes de energia disponíveis podem ser classificadas em renováveis e não renováveis. Tal definição é possível mediante sua escala temporal e utilização. As renováveis, no sentido clássico, são aquelas que podem ser repostas pela natureza, apresentando disponibilidade, além de menores impactos ambientais se comparadas às não renováveis. Nesse contexto, os resíduos sólidos domiciliares (RSD) também podem ser considerados fonte de energia renovável, pois são produzidos constantemente e em elevadas quantidades, permanecendo disponíveis por longo tempo na natureza. Os RSD constituem uma das classes do grupo dos resíduos sólidos urbanos que são enviados para os aterros municipais (USEPA, 2010), ou seja, são os resíduos gerados nos domicílios pelos munícipes.

O Brasil registrou um aumento de 35% na geração de RSD entre 2000 e 2008. E mesmo com o aumento das taxas de reciclagem e compostagem, a quantidade encaminhada para os aterros ainda é elevada, cerca de 90% da massa gerada (BRASIL, 2011), o que contribui para que os RSD se tornem um dos grandes problemas da atualidade. Isso se dá não apenas pelo esgotamento de algumas áreas devido ao volume ocupado, mas também pela falta de áreas para construção de novos aterros e pelos altos investimentos necessários para tais obras (CHENG & HU, 2010), além dos custos envolvidos para o monitoramento dos aterros que já foram concluídos, uma vez que continuam produzindo gases e líquidos poluentes e, ainda, outros tipos de contaminação que podem repercutir na saúde pública.

Uma possibilidade de redução desses impactos é a combustão controlada dos resíduos - incineração -, permitindo seu tratamento e reduzindo seu volume, seu peso (CHENG et al., 2007; CHENG & HU, 2010; SINGH et al., 2011), sua periculosidade e suas emissões de poluentes gasosos (CHENG & HU, 2010; GREGG, 2010; CUCCHIELLA et al., 2012) e líquidos (CHENG & HU, 2010). A incineração também pode ser vista como um processo de reciclagem, pois apresenta a possibilidade de recuperar energia térmica e elétrica a partir dos RSD (CHENG et al., 2007; CHENG & HU, 2010; SINGH et al., 2011).

Essa tendência de tratamento é uma alternativa para a demanda de energia - a qual é cada vez maior -, principalmente para os RSD, além de propiciar uma combinação entre benefícios econômicos e ambientais e enfatizar, cada vez mais, que esse tipo de resíduo deve ser visto como um recurso, e não como algo simples que requer eliminação (DENT & KROL, 1990).

O objetivo desse trabalho foi avaliar o potencial de recuperação de energia a partir da incineração dos RSD do município de Ponta Grossa, Paraná, Brasil.

MATERIAL E MÉTODOS

O município de Ponta Grossa está localizado na região dos Campos Gerais, centro-sul do estado do Paraná, Brasil. Possui 306.351 habitantes e apresenta índice de desenvolvimento humano (IDH) de 0,763 (IPARDES, 2013). A coleta domiciliar e comercial de Ponta Grossa é dividida em 50 setores do município e os RSD apresentam como destino final o aterro controlado do Botuquara, o qual é utilizado desde 2001. Atualmente, são enviados para o aterro aproximadamente 6.500 Mg de RSD por mês (PGA, 2013).

Para a amostragem, os RSD foram coletados de um caminhão de cada um dos quatro setores estudados. Esses setores englobam de quatro a sete bairros do município e foram escolhidos conforme a sua localização, buscando-se espacializar homogeneamente as amostragens. Os caminhões descarregaram os resíduos no aterro, formando pilhas. De cada pilha foram coletadas quatro amostras de aproximadamente 0,1 m³ cada (IPT/CEMPRE, 2000). Esses resíduos coletados foram pesados e depositados sobre uma lona plástica no interior de um quadrado formado por réguas de madeira, com dimensões de 2,00 x 2,00 m, visando a homogeneização.

A seguir foi realizado o processo de quarteamento (IPT/CEMPRE, 2000), no qual se obteve a quantidade de resíduos desejada de cada setor - aproximadamente 10 kg -, e suficiente para a realização das análises.

A análise de composição gravimétrica, que consistiu em separar os resíduos manualmente por componente - matéria orgânica, papel, embalagem cartonada, plástico, vidro, metal e rejeito -, foi realizada na Fazenda Escola da Universidade Estadual de Ponta Grossa (UEPG). A análise imediata, que compreende análises de conteúdo de água, carbono fixo, materiais voláteis e cinzas, e a análise de poder calorífico superior (PCS) foram realizadas no Laboratório de Energia de Biomassa Florestal da Universidade Federal do Paraná (UFPR).

Para a realização dessas análises, além dos componentes separados, foram ainda preparadas mais uma amostra de cada setor, denominadas amostras homogeneizadas, as quais são compostas pelas misturas dos componentes nas proporções médias encontradas para cada um, conforme a composição gravimétrica.

A análise imediata foi realizada em duplicata e de acordo com a NBR 8112 (ABNT, 1986), e a de PCS em triplicata e de acordo com a NBR 8633 (ABNT, 1984), utilizando bomba calorimétrica digital IKA, modelo C5000.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Tabela 1 apresenta a composição gravimétrica dos quatro setores amostrados.

Tabela 1:
Composição gravimétrica dos resíduos sólidos domiciliares de Ponta Grossa.

A maior parte dos RSD enviados para o aterro do município de Ponta Grossa é composta, em média, por 0,42 kg kg^-1 de matéria orgânica. Embora essa quantidade seja menor que a média nacional - 0,51 kg kg^-1(BRASIL, 2011) - e também que a disposta em Curitiba - 0,48 kg kg^-1 (MELO et al., 2009) -, esse valor ainda indica um desperdício de matéria-prima e energia pelo seu não reaproveitamento.

Da mesma forma ocorre com os materiais passíveis de reciclagem, sendo destinados 0,31 kg kg^-1 para o aterro controlado do município. Esses que chegam até os aterros advêm de problemas relacionados à falta de políticas públicas quanto à educação ambiental, visando à segregação desses materiais. O valor de recicláveis encontrado é próximo da média nacional - 0,32 kg kg^-1 - (BRASIL, 2011), o que representa um ponto positivo, pois a geração de resíduos no município está próximo do padrão brasileiro. Por outro lado, também representam desperdício de matéria-prima e energia pelo seu não aproveitamento. Além disso, esses materiais interferem no processo de decomposição dos resíduos e reduzem a área disponível no aterro, pois alguns componentes, como papel, plástico e embalagem cartonada, apresentam baixa densidade.

Os outros 0,27 kg kg^-1 dos resíduos constituem rejeitos que são os únicos materiais que deveriam ser enviados ao aterro, pois não apresentam alternativa viável e/ou conhecida, que não a disposição final (BRASIL, 2011). A quantidade de rejeitos relativa produzida no município de Ponta Grossa é elevada se comparada com a média nacional, que, segundo o Ministério do Meio Ambiente (MMA) (BRASIL, 2011), é de 0,17 kg kg^-1.

Os valores médios do conteúdo de carbono fixo, materiais voláteis e cinzas das amostras homogeneizadas de RSD dos quatro setores analisados são apresentados na Tabela 2.

Tabela 2:
Conteúdo de carbono fixo, materiais voláteis e cinzas das amostras homogeneizadas dos resíduos sólidos domiciliares de Ponta Grossa.

O carbono fixo representa a fração que permanece na amostra logo após o aquecimento, ou seja, logo após a liberação dos compostos voláteis (MCKENDRY, 2002). As amostras analisadas apresentaram baixos conteúdos de carbono fixo (0,07 kg kg^-1) se comparados com o conteúdo presente em madeiras, por exemplo, o qual chega a 0,20 kg kg^-1 (BARROS et al., 2012). Esse valor baixo é uma vantagem, uma vez que o carbono fixo queima de forma mais lenta (BARROS et al., 2012), sendo necessário maior tempo de residência na câmara de combustão.

As cinzas constituem a parcela não combustível dos RSD, ou seja, o rejeito do processo de combustão (CASTRILLÓN et al., 2013) composto pela fração inorgânica dos resíduos. A amostra 4, assim como a 1 e a 3, apresentaram conteúdos de cinzas que variaram de 0,17 a 0,18 kg kg^-1, pois possuem quantidades maiores de material inorgânico - 0,08 kg kg^-1 em média - se comparadas à amostra 2, que possui 0,02 kg kg^-1.

As cinzas influenciam no custo do processo de combustão dos RSD e no de transporte, além de contribuir para a corrosão do equipamento (GARCÍA et al., 2013). De acordo com a análise desse resíduo - cinzas -, o mesmo pode apresentar potencial para ser usado como fertilizante ou, ainda, que pode ser empregado como componente em estruturas civis.

O conteúdo de material volátil expressa a facilidade de combustão de uma amostra (MCKENDRY, 2002). A amostra 2 apresentou valor de 0,81 kg kg^-1. O fator determinante nesse resultado foi o valor de material volátil da matéria orgânica presente nessa amostra, que foi de 0,70 kg kg^-1 -, como apresentado na Tabela 3 -, valor elevado se comparado com a matéria orgânica das outras amostras, que apresentaram, em média, 0,54 kg kg^-1 de material volátil.

Tabela 3:
Conteúdo médio de materiais voláteis de cada componente das amostras de resíduos sólidos domiciliares.

As diferenças que os materiais orgânicos apresentam na sua composição podem influenciar no seu conteúdo de material volátil, pois alguns elementos, como, por exemplo, o nitrogênio (N) e o enxofre (S), são mais susceptíveis à volatilização do que o cálcio (Ca) (FREITAS & SANT’ANNA, 2004).

Uma substância é volátil quando apresenta tendência a vaporizar em certas condições de aquecimento (MCKENDRY, 2002). Nas condições avaliadas o componente vidro não é volátil, pois apresentou 0,01 kg kg^-1 de conteúdo de materiais voláteis. O 1% de material volátil encontrado se deve à sua coleta ter sido realizada no aterro, no qual os componentes estavam misturados, ocorrendo contaminações do vidro por matéria orgânica ou por outros materiais.

A Tabela 4 apresenta os resultados de conteúdo de água e do PCS dos quatro setores analisados. O conteúdo de água tem grande interferência no processo de combustão (YANG et al., 2005; LIANG et al., 2008), podendo esta ocorrer mais rápido em amostras com menor conteúdo de água (YANG et al., 2005). Além disso, a umidade dos resíduos contribui para reduções na energia que pode ser recuperada (MCKENDRY, 2002; MENIKPURA &BASNAYAKE, 2009; GARCÍA et al., 2013). Dessa forma, a secagem prévia dos RSD é um fator importante para melhorar a operação do incinerador e, principalmente, para aumentar a recuperação de energia a partir desses resíduos.

Tabela 4:
Conteúdo de água, poder calorífico superior , poder calorífico superior médio, desvio padrão e coeficiente de variação das amostras homogeneizadas de resíduos sólidos domiciliares.

• PCS: poder calorífico superior.

O valor de PCS obtido para a amostra 2 (Tabela 4) pode ser explicado pelo alto conteúdo de materiais voláteis - 0,81 kg kg^-1 - e pelo baixo conteúdo de cinzas, o que indica conteúdo relativo alto de material interessante para a combustão (LIANG et al., 2008;CUCCHIELLA et al., 2012). Essa amostra também possui quantidade considerável de plástico, o qual também apresenta alto PCS, conforme obtido neste trabalho (Tabelas 5, 6, 7 e 8), bem como relatado por Liu et al. (1996), Oliveira & Rosa (2003) e Cucchiella et al. (2012).

Tabela 5:
Cálculo do poder calorífico superior médio por componente da amostra 1, considerando a composição gravimétrica dessa amostra.

• PCS: poder calorífico superior; RSD: resíduos sólidos domiciliares.

Tabela 6:
Cálculo do poder calorífico superior médio por componente da amostra 2, considerando a composição gravimétrica desta amostra.

• PCS: poder calorífico superior; RSD: resíduos sólidos domiciliares.

Tabela 7:
Cálculo do poder calorífico superior médio por componente da amostra 3, considerando a composição gravimétrica dessa amostra.

• PCS: poder calorífico superior; RSD: resíduos sólidos domiciliares.

Tabela 8:
Cálculo do poder calorífico superior médio por componente da amostra 4, considerando a composição gravimétrica dessa amostra.

• PCS: poder calorífico superior; RSD: resíduos sólidos domiciliares.

A amostra 3 apresentou valor médio de PCS próximo do valor da amostra 2, pois possui grande quantidade de plástico e papel na sua composição. No entanto, a amostra 3, assim como a 1 e a 4, apresentaram maiores conteúdos de cinzas devido à maior quantidade de material inorgânico presente, o que contribuiu para a redução de seus PCS (Tabela 4).

Os PCS de todas as amostras analisadas estão próximos dos encontrados por Soares (2011) para municípios do Rio de Janeiro, que obteve, em média, o valor de 18.134 kJ kg^-1. Os RSD da cidade de Kuala Lumpur apresentam valor bem abaixo dos encontrados -, 9.127 kJ kg^-1 -, o que se deve ao alto conteúdo de água presente - 0,55 kg kg^-1 - e ao baixo conteúdo de materiais voláteis - 0,31 kg kg^-1 - (KATHIRVALE et al., 2003), bem como, provavelmente, devido às diferenças nas composições dos resíduos, nos tipos de materiais, na cultura e, ainda, temporalmente.

As Tabelas 5, 6, 7 e 8 mostram os resultados de PCS obtidos para cada componente das amostras. Não foi possível realizar a análise de PCS do componente embalagem cartonada, pois poderia ocasionar danos no equipamento utilizado. Portanto, foi adotado o valor teórico de 22.156,55 kJ kg^-1 (CEMPRE, 2000), o qual se aproxima do valor analisado por Montejo et al. (2011), que foi de 23.557,10 kJ kg^-1.

A matéria orgânica apresentou PCS de 14.566 kJ kg^-1, em média, próximo ao componente papel - 15.512 kJ kg^-1. Por sua vez, o valor de PCS do componente plástico foi, em média, 37.018 kJ kg^-1. Os valores encontrados estão próximos aos referenciados (Tabela 9).

Tabela 9:
Comparação do poder calorífico superior (kJ kg^-1) encontrado para os componentes matéria orgânica, papel e plástico com bibliografia correlata.

Na Figura 1 estão apresentadas as médias entre o PCS das amostras homogeneizadas e os calculados por componentes. As homogeneizadas apresentaram maior valor de PCS em todas as amostras se comparados com os calculados por componente. Mesmo que as amostras homogeneizadas tenham sido preparadas nas proporções certas encontradas na composição gravimétrica, sua introdução na bomba calorimétrica para análise é subjetiva, uma vez que a quantidade colocada para ser analisada é muito pequena. No entanto, resultados semelhantes a esse supramencionado - valor de PCS de amostras homogeneizadas maior que o calculado por componente - foram encontrados por Soares (2011).

Figura 1:
Comparação entre as médias de poder calorífico superior obtidas nas amostras homogeneizadas e o poder calorífico superior obtido por componente.

Os RSD de Ponta Grossa apresentam um alto valor de PCS quando comparado com os de outros países, como, por exemplo, os da Malásia, que se situa entre 6.280 e 10.880 kJ kg^-1 (KATHIRVALE et al., 2003), o da Índia, que é de 10.008 kJ kg^-1 (KUMAR & GOEL, 2009), o da China, 5.000 kJ kg^-1 (CHENG & HU, 2010) e o da região Norte da Espanha, 11.113 kJ kg^-1 (CASTRILLÓN et al., 2013).Vale ressaltar que alguns desses países - China e Espanha - já utilizam a energia proveniente dos resíduos sólidos urbanos (RSU). Dessa forma, seria interessante a recuperação dessa energia no município de Ponta Grossa, principalmente considerando que a Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS) (BRASIL, 2010) prevê a utilização dessas tecnologias na gestão dos resíduos sólidos.

CONCLUSÃO

• A maior parte dos RSD do município de Ponta Grossa é composta por matéria orgânica - aproximadamente 40% -, cerca de 30% são materiais passíveis de reciclagem e os outros 30% constituem os rejeitos;

• As amostras de RSD apresentaram baixos valores de carbono fixo - 0,06 a 0,09 kg kg^-1. O conteúdo de materiais voláteis variou de 0,75 a 0,81 kg kg^-1 e o de cinzas de 0,10 a 0,18 kg kg^-1;

• O conteúdo de água presente nos RSD variou de 0,33 a 0,44 kg kg^-1;

• O PCS variou de 19.125 a 21.059 kJ kg^-1, com PCS médio de 19.807 kJ kg^-1.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  06 Jul 2017
• Data do Fascículo
  Nov-Dec 2017

Histórico

• Recebido
  01 Dez 2014
• Aceito
  01 Nov 2016