Estimation of municipal solid waste energy recovery potential using mathematical models of anaerobic biodigestion and incineration

Silva, Elissando Rocha da; Toneli, Juliana Tófano de Campos Leite; Palacios-Bereche, Reynaldo

doi:10.1590/S1413-41522019179023

Elissando Rocha da Silva ^**Autor correspondente: elissando@yahoo.com.br

Universidade Federal do ABC - Santo André (SP), Brasil.

http://orcid.org/0000-0003-0082-7174

Juliana Tófano de Campos Leite Toneli

Universidade Federal do ABC - Santo André (SP), Brasil.

http://orcid.org/0000-0002-9222-9560

Reynaldo Palacios-Bereche

Universidade Federal do ABC - Santo André (SP), Brasil.

http://orcid.org/0000-0002-4810-8868

*Autor correspondente: elissando@yahoo.com.br

Thumbnail

Figura 1 -
Estimativa da geração de metano em biodigestores: (A) TS=2,4%; (B) TS=11%; (C) TS=16%; (D) TS=39%.

Thumbnail

Figura 2 -
Potência simulada para a biodigestão anaeróbia dos resíduos sólidos urbanos do aterro de Caieiras.

Thumbnail

Figura 3 -
Potência simulada para a incineração dos resíduos sólidos urbanos do aterro de Caieiras.

Thumbnail

Tabela 1 -
Constantes utilizadas pelos modelos de Moletta, Verrier e Albagnac (1986MOLETTA, R.; VERRIER, D.; ALBAGNAC, G. (1986) Dynamic modelling of anaerobic digestion. Water Research, v. 20, n. 4, p. 427-434. https://doi.org/10.1016/0043-1354(86)90189-2
https://doi.org/10.1016/0043-1354(86)901... ) e Liu et al. (2008LIU, C.F.; YUAN, X.Z.; ZENG, G.M.; LI, W.W.; LI, J. (2008) Prediction of methane yield at optimum pH for anaerobic digestion of organic fraction of municipal solid waste. Bioresource Technology, v. 99, n. 4, p. 882-888. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2007.01.013
https://doi.org/10.1016/j.biortech.2007.... ).

Thumbnail

Tabela 2 -
Parâmetros utilizados para as estimativas de biogás.

Thumbnail

Tabela 3 -
Parâmetros calculados e utilizados para estimar a taxa de produção de metano.

Thumbnail

Tabela 4 -
Composição gravimétrica dos resíduos sólidos urbanos dispostos no aterro de Caieiras (SP).

Thumbnail

Tabela 5 -
Composição química típica de resíduos sólidos urbanos em base seca.

Thumbnail

Tabela 6 -
Composição dos resíduos remanescentes após a separação de parte dos materiais recicláveis.

Thumbnail

Tabela 7 -
Composição dos resíduos remanescentes após a segregação da fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos.

Thumbnail

Tabela 8 -
Estimativa da produção de metano em biodigestores anaeróbios.

Thumbnail

Tabela 9 -
Taxas de produção de metano em biodigestores determinadas por vários autores.

Thumbnail

Tabela 10 -
Estimativa do poder calorífico inferior dos resíduos sólidos urbanos.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

Parâmetros	Valor¹	Parâmetros	Valor²	Parâmetros	Valor³
K_m (g.L^-1)	0,086	V_mmax (g.g^-1.d^-1)	0,50	µ_mmax (d^-1)	0,60
K_im (g.L^-1)	0,086	K_ixm (g.L^-1)	0,04	µ_amax (d^-1)	0,40
K_sm (g.L^-1)	0,10	K_ia (g.L^-1)	0,02	K_iam (g.L^-1)	0,12
K_dm (d^-1)	0,069	Y_NH3	0,183	K_N	5,3 x 10^-10
µ_hmax (d^-1)	0,069	Y_N	0,15	Y_a	0,188
K_sh (g.L^-1)	0,069	Y_vh	0,22	Y_va	2,65
K_dh (d^-1)	0,069	K_e	1,728 x 10^-5	Y_m	0,08

Parâmetros	Valor¹	Valor²	Valor³	Valor⁴
TS (%)	2,4	11	16	39
T (°C)	37	30	30	37
pH	7,7	7,2	7,15	7,4
Ac (g.L^-1)	0,5	0,5	0,55	1,8*
NH⁺ ₄(g.L^-1)	0,1	0,5	0,60	2,65

Parâmetros	TS=2,4%	TS=11%	TS=16%	TS=39%
µ_m (d^-1)*	3,40 × 10^-3	1,10 × 10^-2	1,30 × 10^-2	2,40 × 10^-2
µ_m (d^-1)**	3,40 × 10^-3	1,10 × 10^-2	1,30 × 10^-2	1,70 × 10^-2
A_u (g.L^-1)	5,77 × 10^-4	1,80 × 10^-3	2,00 × 10^-3	4,00 × 10^-3
H⁺ (g.L^-1)	1,99 × 10^-8	6,31 × 10^-8	7,08 × 10^-8	3,98 × 10^-8
NH₃ (g.L^-1)	4,50 × 10^-2	7,20 × 10^-2	7,60 × 10^-2	6,00 × 10^-1
X_m (g.L^-1)***	4,0 × 10^-1	4,0 × 10^-1	4,0 × 10^-1	5,0 × 10^-1

Componente	Percentual (%)	Componente	Percentual (%)
Orgânicos	55,7	Borracha	0,6
Papel/papelão	15,8	Metais	2,9
Plásticos	11,6	Vidros	1,7
Madeira	2,8	Terra/pedras	2,7
Têxteis	2,3	Outros	3,9

Resíduos	% em massa - base seca
Resíduos	C	H	O	N	S	Cinzas
Orgânicos	48,0	6,4	37,6	2,6	0,4	5,0
Madeira	49,5	6,0	42,7	0,2	0,1	1,5
Papel/papelão	43,5	6,0	44,0	0,3	0,2	6,0
Borracha	78.0	10.0	-	2.0	-	10
Plásticos	60,0	7,2	22,8	-	-	10
Têxteis	55,0	6,6	31,2	4,6	0,15	2,5
Metais	4,5	0,6	4,3	0,1	-	90,5
Vidros	0,5	0,1	0,4	0,1	-	98,9

Resíduos	(%) massa	Resíduos	(%) massa
Orgânicos	61,5	Borracha	0,7
Papel/papelão	12,2	Metais	1,7
Plásticos	10,0	Vidros	1,0
Madeira	3,1	Terra/pedras	3,0
Têxteis	2,5	Outros	4,3

Composição após a segregação de 100% da fração orgânica
Resíduos	(%) massa	Resíduos	(%) massa
Orgânicos	-	Borracha	1,4
Papel/papelão	35,7	Metais	6,5
Plásticos	26,2	Vidros	3,8
Madeira	6,3	Terra/pedras	6,1
Têxteis	5,2	Outros	8,8

Modelo	TS (%)	CH₄ (m³.ton^-1)	CH₄ (m³.ano^-1)	R_AD (m³.s^-1)
Moletta, Verrier e Albagnac (1986MOLETTA, R.; VERRIER, D.; ALBAGNAC, G. (1986) Dynamic modelling of anaerobic digestion. Water Research, v. 20, n. 4, p. 427-434. https://doi.org/10.1016/0043-1354(86)90189-2 https://doi.org/10.1016/0043-1354(86)901... )	2,4	74	147.201.840	4,67
	11	68	135.266.550	4,29
	16	64	127.309.700	4,04
	39	84	167.093.980	5,30
*Liu et al. (2008*LIU, C.F.; YUAN, X.Z.; ZENG, G.M.; LI, W.W.; LI, J. (2008) Prediction of methane yield at optimum pH for anaerobic digestion of organic fraction of municipal solid waste. Bioresource Technology, v. 99, n. 4, p. 882-888. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2007.01.013 https://doi.org/10.1016/j.biortech.2007.... )	2,4	74	147.201.840	4,67
	11	68	135.266.550	4,29
	16	64	127.309.700	4,04
	39	58	115.374.410	3,66

Referência	TS (%)	CH4 (Nm³/ton FORSU)
Zhang & Jahng (2012ZHANG, L; JAHNG, D. (2012) Long-term anaerobic digestion of food waste stabilized by trace elements. Waste Management, v. 32, n. 8, p. 1509-1515. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2012.03.015 https://doi.org/10.1016/j.wasman.2012.03... )	2,40	77
Dong, Zhenhong e Yongming (2010DONG, L.; ZHENHONG, Y.; YONGMING, S. (2010) Semi-dry mesophilic anaerobic digestion of water sorted organic fraction of municipal solid waste (WS-OFMSW). Bioresource Technology, v. 101, n. 8, p. 2722-2728. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2009.12.007 https://doi.org/10.1016/j.biortech.2009.... )	11,0	58
	16,0	50
*Cuetos et al. (2008*CUETOS, M.J.; GÓMEZ, X.; OTERO, M.; MORÁN, A. (2008) Anaerobic digestion of solid slaughterhouse waste (SHW) at laboratory scale: influence of co-digestion with the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW). Biochemical Engineering Journal, v. 40, n. 1, p. 99-106. https://doi.org/10.1016/j.bej.2007.11.019 https://doi.org/10.1016/j.bej.2007.11.01... )	27,2	80

Modelo	PCI (MJ.kg^-1) Coleta indiferenciada	PCI (MJ. kg^-1) Separação de recicláveis	PCI (MJ.kg^-1) Segregação de orgânicos
Equação 20	4,87	3,79	10,1
Equação 21	4,96	3,89	10,2
Equação 22	8,20	6,99	14,4
Equação 23	6,11	5,41	13,0
Equação 24	7,12	6,29	14,5
Equação 25	7,75	6,86	15,5

µ_{m} = \frac{µ_{m m a x}}{1 + (K_{s m} / A_{u}) + (A_{u} / K_{i x m}) + ({N H}_{3 (u)} / K_{i a m})}

\frac{d {C H}_{4}}{d t} = V_{m m a x} X_{m} (\frac{{A c}^{-} \times 10^{- p H}}{{A c}^{-} \times 10^{- p H} + K_{e} K_{m}}) \times (\frac{K_{i m} K_{e}}{K_{i m} K_{e} + {A c}^{-} \times 10^{- p H}})

[1] *Autor correspondente: elissando@yahoo.com.br

Brasil

Brasil

Estimation of municipal solid waste energy recovery potential using mathematical models of anaerobic biodigestion and incineration

ABSTRACT