Guia técnico DWA-M 363

O biogás produzido pelo tratamento anaeróbio de esgotos, lodos e pela digestão de culturas energéticas e resíduos orgânicos é um valioso vetor energético. Esse combustível renovável deve ser aproveitado o mais am-plamente possível, tendo em vista as atuais discussões sobre o meio ambiente em todo o mundo.

Este guia técnico fornece informações valiosas e abrangentes para operadores e projetistas de usinas de bi-ogás. É apresentada a cadeia de processos completa, desde a origem até o aproveitamento do biogás. São também abordadas as formas de utilização mais sofisticadas, como o uso do biogás em usinas de cogeração de calor e energia elétrica. As seções sobre os princípios de segurança dos equipamentos e instalações e os fatores de custo complementam a apresentação do tema de forma abrangente.

ISBN 978-3-88721-217-9

German Association for Water, Wastewater and WasteDeutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V.Theodor-Heuss-Allee 17 · 53773 Hennef · GermanyTel.: +49 2242 872-333 · Fax: +49 2242 872-100E-Mail: info@dwa.de · Internet: www.dwa.de

DWANormas e recomendações técnicas

German Association for Water, Wastewater and WasteDeutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V.

Origem, Tratamento e Utilização do Biogás

Novembro de 2010

Herkunft, Aufbereitung und Verwertung von Biogasen

Publisher/Marketing:German Association for Water, Wastewater and WasteDeutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V.Theodor-Heuss-Allee 17 · 53773 Hennef · GermanyTel.: +49 2242 872-333 · Fax: +49 2242 872-100E-Mail: info@dwa.de · Internet: www.dwa.de

DWANormas e recomendações técnicas

Guia técnico DWA-M 363Origem, Tratamento e Utilização do Biogás

Novembro de 2010

Herkunft, Aufbereitung und Verwertung von Biogasen

DWA-M 363

2 Novembro de 2010 Normas e recomendações técnicas – DWA

A Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA) empreende grandes esforços para contribuir com o desenvolvimento da gestão hídrica sustentável e segura. Sendo uma organização com independência política e econômica, ela atua nas áreas de gestão hídrica, de efluentes, resíduos e proteção dos solos.

Na Europa, a DWA é a organização que conta com o maior número de associados nessa área, e sua competência técnica em implantação de regulamentos, educação e informação lhe confere reconhecimento pela opinião pública. O corpo de mais de 14.000 associados conta com especialistas e lideranças da administração pública, universidades, escritórios de engenharia, autoridades e empresas.

Notas legais Edição e distribuição: DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. Theodor-Heuss-Allee 17 53773 Hennef, Alemanha Tel.: +49 2242 872-333 Fax: +49 2242 872-100 E-mail: info@dwa.de Internet: www.dwa.de

Tradução da Norma: Marcos Zattar Versão revista: Janeiro de 2011 Composição:DWA Impressão: DWA ISBN: 978-3-88721-217-9 Impresso em papel 100% reciclado

© DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V., Hennef 2014

Todos os direitos reservados, inclusive os direitos de traduções em outros idiomas. É proibida a reprodução de toda e qualquer parte deste guia técnico sem a autorização escrita do editor, seja ela fotocópia, digitalização ou qualquer outra técnica, ou transmitida em idioma utilizado por máquinas, principalmente máquinas de processamento de dados.

DWA-M 363

Normas e recomendações técnicas – DWA Novembro de 2010 3

Prefácio A comissão técnica da DWA AK-8 "Biogás" publicou em agosto de 2002 a primeira edição deste guia técnico com o mesmo título. Em 2010, a comissão técnica atualizou o guia técnico em função do avanço tecnológico e da legislação da área do biogás, que se beneficiou de importantes inovações.

Tradução da Norma: Marcos Zattar.

Revisão da Versão Traduzida: Grupo de trabalho coordenado pelo Projeto DKTI Biogás (PROBIOGÁS).

Apoio para realização da tradução: Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH.

O trabalho de tradução e revisão desta norma foi realizado por uma equipe multidisciplinar composta por membros de prestadoras de serviço de saneamento brasileiras, empresas de consultoria e universidade, juntamente com o Ministério das Cidades brasileiro e a Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH.

Os membros do grupo de trabalho são os seguintes:

Carlos Chernicharo

Carolina Cabral

Christoph Platzer

Gilson Silva

Gustavo Possetti

UFMG

Rotária do Brasil

Rotária do Brasil

Ministério das Cidades

SANEPAR

Hélinah Moreira GIZ

Humberto Belina CAESB

Marcos Montenegro

Mônica da Silva

ADASA-DF

CAESB

Renato Takahashi

Sebastian Rosenfeldt

SeMAE São José do Rio Preto

Rotária do Brasil

Valéria Ferreira COPASA

Victor Valente GIZ

Waldo Villani SeMAE São José do Rio Preto

Esta atividade fez parte do escopo do Projeto Brasil-Alemanha de Fomento ao Aproveitamento Energético de Biogás (PROBIOGÁS-DKTI Biogás), coordenado pelo Ministério das Cidades e a Cooperação Alemã para o Desenvolvimento Sustentável, por meio da GIZ.

A tradução de Normas Técnicas Alemãs voltadas para eficiência energética e aproveitamento energético de biogás em Estações de Tratamento de Esgotos é um passo importante para facilitar a implantação de medidas similares no Brasil. Esta iniciativa contou com o apoio da Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA).

Mais informações: www.cidades.gov.br/probiogas

DWA-M 363

4 Novembro de 2010 Normas e recomendações técnicas – DWA

Autores Este guia técnico foi elaborado pela comissão técnica AK-8 "Biogás" da DWA.

A comissão se compõe dos seguintes membros:

BERGMANN, Dieter Dr. Eng., Dresden (Vice-Presidente)

BÖCKER, Karl Engenheiro, Wuppertal

DICHTL, Norbert Prof. Eng., Braunschweig (Presidente)

FRECHEN, Franz-Bernd Prof. Dr. Eng., Kassel

HEETKAMP, Jörg Engenheiro, Aachen

KLAAS, Uwe Quím., Bonn

LOLL, Ulrich Dr. Eng., Darmstadt

MÜLLER, Volker Dr. Eng., Dresden

RETTENBERGER, Gerhard Prof. Dr. Eng., Trier

SCHÄFER, Arnold Engenheiro, Hamburg

STEHLE, Roland Dr. rer.-nat., Heilbronn

Coordenador de projetos na sucursal nacional da DWA:

REIFENSTUHL, Reinhard Eng., Hennef

Setor de Gestão Hídrica, Resíduos e Solos

DWA-M 363

Normas e recomendações técnicas – DWA Novembro de 2010 5

Índice 1  Prefácio ................................................................................................................................................... 3 

2  Autores .................................................................................................................................................... 3 

Índice de figuras ....................................................................................................................................................... 7 

Índice de Tabelas ..................................................................................................................................................... 7 

Nota ao leitor............................................................................................................................................................ 8 

1  Área de aplicação ................................................................................................................................... 8 

2  Conceitos ................................................................................................................................................ 8 

2.1  Definições ................................................................................................................................................ 8 

2.2  Abreviaturas e símbolos ......................................................................................................................... 9 

3  Composição do biogás ........................................................................................................................... 10 

3.1  Composição do biogás do ponto de vista da conversão energética ........................................................... 10 

3.2  Impacto ambiental do biogás e seus componentes ................................................................................... 11 

3.3  Poluentes do biogás relevantes para o meio ambiente ............................................................................. 12 

4  Produção de biogás ................................................................................................................................ 12 

4.1  Taxa de produção de biogás de tratamento anaeróbio de lodo................................................................. 12 

4.2  Taxa de produção de biogás no tratamento anaeróbio de esgotos de elevada concentração orgânica ...... 14 

4.3  Taxa de produção de biogás em biodigestores agrícolas ........................................................................... 15 

4.4  Taxa de produção de biogás na digestão de culturas energéticas (biomassa dedicada) ............................ 16 

4.5  Taxa de produção de biogás em estações de tratamento de resíduos ....................................................... 19 

4.6  Taxa de produção de biogás da deposição de resíduos sólidos urbanos (RSU) ......................................... 19 

4.7  Taxa de produção de biogás na codigestão .............................................................................................. 20 

5  Tratamento do biogás ............................................................................................................................ 20 

5.1  Generalidades .......................................................................................................................................... 20 

5.2  Métodos de tratamento do biogás ............................................................................................................ 20 

5.2.1  Separação de líquidos e sólidos ................................................................................................................ 20 

5.2.2  Eliminação de sulfetos de hidrogênio ....................................................................................................... 21 

5.2.3  Remoção de compostos orgânicos halogenados ....................................................................................... 23 

5.2.4  Separação de dióxido de carbono ............................................................................................................. 23 

5.2.5  Separação dos siloxanos ........................................................................................................................... 24 

6  Armazenamento do biogás .................................................................................................................... 25 

6.1  Armazenamento de biogás para utilização em caldeiras........................................................................... 25 

6.2  Armazenamento de biogás em usina de cogeração ................................................................................... 26 

6.3  Métodos de armazenamento de biogás .................................................................................................... 26 

7  Utilização do biogás ............................................................................................................................... 29 

7.1  Generalidades .......................................................................................................................................... 29 

7.2  Aproveitamento em caldeiras a gás .......................................................................................................... 29 

7.3  Utilização em máquinas a gás .................................................................................................................. 29 

7.3.1  Inf“ormações gerais sobre conversão de energia ...................................................................................... 29 

7.3.2  Motores a gás ........................................................................................................................................... 29 

7.3.3  Turbinas a gás .......................................................................................................................................... 30 

DWA-M 363

6 Novembro de 2010 Normas e recomendações técnicas – DWA

7.3.4  Célula de combustível como usina de cogeração ...................................................................................... 31 

7.3.5  Uso da energia ......................................................................................................................................... 31 

7.4  Uso na operação de veículos .................................................................................................................... 32 

7.5  Cessão do biogás a terceiros/injeção na rede de gás natural .................................................................... 33 

8  Legislação ............................................................................................................................................... 33 

8.1  Legislação de proteção contra imissões .................................................................................................... 33 

8.2  A classificação no âmbito legal conforme a origem das matérias-primas .................................................. 37 

9  Gás de escape ......................................................................................................................................... 38 

9.1  Substâncias do gás de escape de motores a gás ........................................................................................ 38 

9.2  Abordagens para a mitigação de emissões em usinas de cogeração com motores a gás ............................ 39 

9.2.1  Combustão de misturas pobres para a redução de emissões em motores do ciclo Otto ............................ 39 

9.2.2  Catalisador de três vias ............................................................................................................................ 39 

9.2.3  Catalisador SCR ....................................................................................................................................... 39 

9.2.4  Catalisador de oxidação ........................................................................................................................... 40 

9.2.5  Sistema de pós-combustão de gases de escape ......................................................................................... 40 

10  Princípios técnicos de segurança do manuseio de biogás ................................................................... 40 

10.1  Generalidades .......................................................................................................................................... 40 

10.2  Perigo de asfixia e ação tóxica dos componentes do biogás ...................................................................... 40 

10.3  10.3 Perigo de explosão ........................................................................................................................... 42 

10.3.1  Pré-condições ........................................................................................................................................... 42 

10.3.2  Medidas de proteção ................................................................................................................................ 43 

11  Notas sobre os equipamentos ................................................................................................................ 44 

11.1  Equipamentos de medição ....................................................................................................................... 44 

11.2  11.2 Monitoramento da composição do biogás ........................................................................................ 44 

11.2.1  Monitoração do ar em edificações e poços ............................................................................................... 45 

11.2.2  Medição de gases combustíveis ................................................................................................................ 45 

11.2.3  Medição do oxigênio ................................................................................................................................ 45 

12  Fatores de custo ..................................................................................................................................... 45 

Legislação alemã e europeia .................................................................................................................................... 47 

Normas técnicas ....................................................................................................................................................... 48 

Normas DIN/VDE ....................................................................................................................................................... 48 

Normas e recomendações técnicas - DWA .................................................................................................................. 48 

Normas de segurança e proteção da saúde ................................................................................................................. 49 

Outras normas técnicas .............................................................................................................................................. 49 

Literatura ................................................................................................................................................................ 49 

DWA-M 363

Normas e recomendações técnicas – DWA Novembro de 2010 7

Índice de figuras Figura 1: Diagrama de métodos de tratamento do biogás para a separação do CO2 (BEIL, 2008) ........................... 24 

Figura 2: Produção qualitativa de biogás com alimentação de lodo bruto única, dupla e (semi) contínua em um digestor de 1.000 m³ ..................................................................................................... 26 

Figura 3: Gasômetro com membrana com carga de peso e lastros com cordas/cilindro telescópico (gasômetro de gás seco) ........................................................................................................................... 28 

Figura 4: Gasômetro tubos infláveis (com lastro) .................................................................................................... 28 

Figura 5: Tanque de biogás com membrana dupla submetida a ar comprimido (tanque de contrapressão) ............ 28 

Figura 6: Reservatório de biogás não pressurizado .................................................................................................. 28 

Figura 7: Célula de combustível como reversão da eletrólise................................................................................... 31 

Figura 8: Emissões de NOx e CO em dependência do fator lambda (λ) ................................................................... 38 

Figura 9: Diagrama ternário da faixa explosiva de misturas de metano/ar/dióxido de carbono e misturas de metano/ar/nitrogênio ........................................................................................................ 43 

Índice de Tabelas Tabela 1: Valores de referência do teor de metano e poder calorífico inferior de tipos de biogás ............................ 11 

Tabela 2: Tipos de biogás de aterros sanitários ........................................................................................................ 11 

Tabela 3: Propriedades dos componentes do biogás ................................................................................................ 11 

Tabela 4: Taxa de produção de biogás na decomposição completa dos constituintes orgânicos ............................... 13 

Tabela 5: Tecnologia de processo do tratamento de esgoto e sua influência sobre a quantidade de biogás esperado (conforme KAPP 1984, complementado) ................................................................... 12 

Tabela 6: Resultado operacional de usinas de biogás industriais ............................................................................. 15 

Tabela 7: Taxas de produção de biogás frequentes em usinas de biogás agrícolas ................................................... 16 

Tabela 8: Propriedades e taxa de produção de biogás de substratos relevantes (conforme o guia técnico DWA-M 380) .................................................................................................... 18 

Tabela 9: Métodos de tratamento do biogás ............................................................................................................ 21 

Tabela 10: Influência do modo de operação de equipamentos de utilização de biogás sobre o dimensionamento de gasômetros ............................................................................................................. 27 

Tabela 11: Equipamentos de usinas de biogás sujeitos ao licenciamento pelo processo de concessão simplificado (excerto resumido da 4ª BImSchV) ...................................................................................... 34 

Tabela 12: Requisitos especiais de determinados equipamentos de usinas de biogás (conforme a Diretriz Técnica Alemã para o Controle da Poluição Atmosférica – TA Luft) ........................ 36 

Tabela 13: Efeitos do dióxido de carbono .................................................................................................................. 41 

Tabela 14: Efeitos do sulfeto de hidrogênio ............................................................................................................... 41 

Tabela 15: Fatores de custo importantes na construção e operação de usinas de biogás ............................................ 47 

DWA-M 363

8 Novembro de 2010 Normas e recomendações técnicas – DWA

Nota ao leitor Este guia técnico é o produto do esforço conjunto técnico, científico e econômico, em caráter voluntário, originado conforme os princípios vigentes (estatuto, regulamento da DWA e a norma DWA-A 400). Conforme a jurisprudência, existe presunção real de que o teor desta norma de trabalho esteja correto e tecnicamente adequado.

Qualquer pessoa é livre para utilizar o guia técnico. No entanto, seu uso pode estar sujeito a regulamentos, leis, contratos ou quaisquer bases legais que a tornem obrigatória.

Este guia técnico é, entre outras, uma importante fonte de conhecimento para soluções tecnicamente adequadas. A sua utilização não isenta ninguém da responsabilidade pelos próprios atos ou pela utilização correta na prática. Isso se aplica principalmente à correta utilização dos intervalos admitidos no guia técnico.

1 Área de aplicação O guia técnico contém recomendações e informações para o planejamento de usinas de biogás funcionais e sua operação comercial. No guia se encontram compilados dados sobre a origem, quantidade e qualidade do biogás produzido, bem como sobre a sua purificação e aproveitamento. São indicadas faixas de valores apoiados na experiência prática em um grande número de usinas.

Se, no caso particular, forem aplicados valores de projeto significativamente divergentes, recomenda-se verificar esse valores por meio de experimentos e análises com base nas características do projeto e local de instalação.

O guia técnico refere-se a usinas para tratamento e utilização de biogás com as seguintes origens:

Digestão anaeróbia de lodo (biogás de esgoto)

Tratamento anaeróbio de esgotos com elevada carga orgânica (gás do tratamento de esgoto)

Fermentação de substratos agrícolas

Fermentação de biomassas dedicadas

Usinas de digestão anaeróbia de resíduos

Deposição de resíduos (gás de aterros sanitários)

Usinas de codigestão

2 Conceitos1)

2.1 Definições

Com o objetivo de trazer mais clareza à área de biogás, a comissão técnica definiu os conceitos abaixo. Anteriormente, não existia uniformidade na conceituação.

Biogás

Biogás é uma mistura gasosa produzida durante a decomposição anaeróbia de substâncias orgânicas e composta quase exclusivamente de metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2). O biogás contém também pequenas quantidades de sulfeto de hidrogênio (H2S), nitrogênio (N2) e outros gases traço.

Biogás de estações de tratamento de lodo

Esse tipo de biogás (biogás de esgoto), obtido pelo processo de estabilização anaeróbia do lodo do tratamento de esgoto urbano, é constituído de CH4 e CO2, pequenas quantidades de N2, O2 e H2S, e traços de outras substâncias.

Tratamento anaeróbio de esgotos com elevada carga orgânica

O biogás (gás do tratamento de efluentes) se origina da decomposição anaeróbia de efluentes de elevada concentração de matéria orgânica, tais como os

1) Em algumas leis como a BImSchG e a EEG, termos como

"gás do tratamento de esgoto" são definidos diferentemente da terminologia técnica correta, adotada neste trabalho. Os parágrafos das seções 2 em diante, portanto, utilizam a conceituação correta. Nas leis mencionadas acima, o biogás de esgoto é denominado de gás do tratamento de esgoto. Segundo essas leis, nenhum deles é considerado biogás.