Orientador: Profª. Dra. Juliana Tófano de Campos Leite Toneli / Tese ( doutorado)- Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, 2015. / No âmbito da Política Nacional de Resíduos Sólidos, instituída no Brasil no ano de 2010, devem ser considerados como objetivos para a gestão e gerenciamento de resíduos sólidos urbanos (RSU), na seguinte sequência: não geração, redução, reutilização, reciclagem, tratamento e disposição final ambientalmente adequada dos rejeitos. Nesse contexto, este trabalho teve como objetivo principal fornecer subsídios para os gestores analisarem rotas alternativas para disposição final dos resíduos sólidos de grandes centros urbanos levando em consideração o potencial de recuperação energética. Como objeto de estudo, foram considerados os resíduos depositados no aterro sanitário de Caieiras/SP. Foram analisadas três diferentes formas de disposição de RSU que permitem, além do tratamento, a recuperação da energia química da biomassa presente na sua composição e conversão em eletricidade. Os tratamentos considerados foram: ¿ disposição em aterros sanitários com recuperação do biogás, biodigestão anaeróbia em biodigestores e incineração com recuperação energética ¿ avaliando-se principalmente os aspectos tecnológicos, energéticos e ambientais. Para a análise do potencial dos RSU dispostos em aterros sanitários, foram utilizados modelos matemáticos que permitem estimar a produção de biogás em função do potencial de dois importantes parâmetros (potencial de produção de biogás e constante de decaimento). Os resultados obtidos para o aterro de Caieiras apresentaram uma variação de até 54% entre um modelo e o outro, sendo que os valores mínimo e máximo obtidos para a geração de metano no ano de 2015 foram de 100 a 220 milhões de Nm3. Para avaliação da biodigestão anaeróbia em biodigestores, foram avaliados dois modelos matemáticos que permitem estimar a produção de metano em função dos diversos fatores que interferem no processo (concentração de acetato e de micro-organismos, da variação do pH, dentre outros). Os resultados obtidos para a biodigestão anaeróbia apresentaram uma variação de até 32% em relação à faixa considerada para a concentração de sólidos totais (2,4 a 39%), sendo que os valores mínimo e máximo obtidos para a biodigestão anaeróbia da fração orgânica dos RSU foram de 100 e 220 milhões de Nm3 de CH4/ano, respectivamente. No caso da incineração, foram considerados seis modelos matemáticos empíricos (baseados nas análises imediata, gravimétrica e elementar) para estimar o poder calorífico inferior (PCI) dos RSU. Foram consideradas três alternativas: incineração dos RSU sem segregação dos seus componentes, incineração considerando segregação dos materiais recicláveis e incineração considerando a separação da fração orgânica dos RSU para biodigestão. Os resultados obtidos para a incineração apresentaram uma variação de até 40% entre um modelo e o outro, sendo que os valores mínimo e máximo obtidos para o PCI dos RSU foram de 4,87 e 8,26 MJ/kg, considerando a coleta indiferenciada. Baseados nos resultados obtidos, conclui-se que a incineração apresenta os melhores resultados do ponto de vista do potencial de conversão energética. Assim, este trabalho fornece subsídios para os gestores definirem rotas alternativas para disposição final dos resíduos sólidos urbanos, considerando a possibilidade de aproveitamento energético. / Within the framework of National Solid Waste Policy, established in Brazil in 2010, should be considered as principles for the management of municipal solid waste (MSW), in the following order: non-generation, reduction, reuse, recycling, treatment and environmentally sound disposal of waste. In this context, this work aimed to provide subsidies for managers define alternative routes for disposal of municipal solid waste, considering the possibility of energy recovery of waste generated in large urban centers, taking as a basis MSW intended for landfill Caieiras/SP. Three different forms of MSW disposal have been considered that enable, in addition to treatment, the recovery of chemical energy of the biomass present in the composition and conversion of electricity. These treatment forms were - disposal in landfills, anaerobic digestion in biodigesters and incineration - especially considering the technological, energy and environmental aspects. To analyze the potential of MSW disposed in landfills, it was used mathematical models, which allow to estimate the biogas production from the potential of two important parameters (biogas potential and decay constant). The results obtained for Caieiras landfill showed a variation of up to 54% between one model and another being that the minimum and maximum values obtained for methane generation in the year 2015 were 100 to 220 million Nm3. For evaluation of anaerobic digestion in biodigesters, two mathematical models were studied, which allow estimating the methane production from various factors that affect the process (concentration of acetate and mico-organisms, changes in pH, among others). The results for the anaerobic digestion showed a variation of up to 32% for the range of total solids content assumed (2.4 to 39%), and the minimum and maximum values obtained for the anaerobic digestion of the organic fraction of MSW were 100 to 220 million Nm3 CH4/year respectively. In the case of incineration were evaluated six empirical mathematical models (based on immediate analysis, gravimetric and elemental) used to estimate the lower heating value (LHV) of MSW. Three alternatives were considered: MSW incineration without segregation of its components, incineration considering segregation of recyclable materials and incineration considering the separation of the organic fraction of MSW. The results obtained for the incineration showed a variation of up to 40% between one model and another being the minimum and maximum values for the LHV of MSW 4.87 and 8.26 MJ/kg respectively for undifferentiated collection. Based on these results, it is concluded that the incineration provides the best results from the point of view of energy conversion potential. Thus, this work provides subsidies for managers define alternative routes for disposal of municipal solid waste, considering energy use.

A presente pesquisa teve por objetivo propor uma estrutura de modelagem matemática para a localização ótima de unidades de tratamento térmico de resíduos com recuperação energética. Para tal, o ferramental utilizado foi o método de programação inteira mista, sendo a modelagem desenvolvida aplicada para a Região Metropolitana da Baixada Santista e Litoral Norte. Foi considerada como premissa básica que o processo de incineração seria operado pelo poder público; todos os municípios geradores de Resíduos Sólidos Domiciliares foram considerados como potenciais localidades para a instalação da unidade de tratamento térmico de resíduos; todos os aterros sanitários que atendiam os Municípios estudados foram considerados para a recepção das escórias e cinzas provenientes do processo de incineração. Foram especificados quatro cenários para tal análise, que abordaram competitividade em relação ao uso de aterros sanitários e a presença de eficiência na coleta seletiva dos Municípios. Os resultados apontaram para que a unidade de tratamento térmico de resíduos se localize no entorno dos Municípios de Santos, Praia Grande e São Vicente. Mesmo com a opção do uso de aterros sanitários, a implantação da unidade de tratamento térmico de resíduos se apresentou como uma alternativa mais favorável, tendo sido levados em conta, na modelagem proposta, aspectos tanto ambientais como econômicos. / This study aimed to propose a mathematical modeling framework for optimal location of units of the thermal treatment of waste with energy recovery. To this end, the tool used was the method of mixed integer programming, and the developed modeling applied to the Santos Metropolitan Region and North Coast. It was considered as the basic premise that the incineration process would be operated by the Government; all municipalities solid waste generators were considered as potential locations for the installation of the unit thermal treatment of waste, all landfills that serve municipalities studied were considered for receipt of slag and ash from the incineration process. Four scenarios were specified for this analysis that addressed competitiveness in relation to the use of landfills and the presence of selective collection efficiency in the municipalities. Results showed that the unit of thermal treatment of waste should be located in the vicinity of the cities of Santos, São Vicente and Praia Grande. Even with the option of using landfill, the deployment of the unit of thermal treatment of waste is presented as an alternative more favorable, having been taken into account in the proposed model, both environmental and economic aspects.

A presente pesquisa teve por objetivo propor uma estrutura de modelagem matemática para a localização ótima de unidades de tratamento térmico de resíduos com recuperação energética. Para tal, o ferramental utilizado foi o método de programação inteira mista, sendo a modelagem desenvolvida aplicada para a Região Metropolitana da Baixada Santista e Litoral Norte. Foi considerada como premissa básica que o processo de incineração seria operado pelo poder público; todos os municípios geradores de Resíduos Sólidos Domiciliares foram considerados como potenciais localidades para a instalação da unidade de tratamento térmico de resíduos; todos os aterros sanitários que atendiam os Municípios estudados foram considerados para a recepção das escórias e cinzas provenientes do processo de incineração. Foram especificados quatro cenários para tal análise, que abordaram competitividade em relação ao uso de aterros sanitários e a presença de eficiência na coleta seletiva dos Municípios. Os resultados apontaram para que a unidade de tratamento térmico de resíduos se localize no entorno dos Municípios de Santos, Praia Grande e São Vicente. Mesmo com a opção do uso de aterros sanitários, a implantação da unidade de tratamento térmico de resíduos se apresentou como uma alternativa mais favorável, tendo sido levados em conta, na modelagem proposta, aspectos tanto ambientais como econômicos. / This study aimed to propose a mathematical modeling framework for optimal location of units of the thermal treatment of waste with energy recovery. To this end, the tool used was the method of mixed integer programming, and the developed modeling applied to the Santos Metropolitan Region and North Coast. It was considered as the basic premise that the incineration process would be operated by the Government; all municipalities solid waste generators were considered as potential locations for the installation of the unit thermal treatment of waste, all landfills that serve municipalities studied were considered for receipt of slag and ash from the incineration process. Four scenarios were specified for this analysis that addressed competitiveness in relation to the use of landfills and the presence of selective collection efficiency in the municipalities. Results showed that the unit of thermal treatment of waste should be located in the vicinity of the cities of Santos, São Vicente and Praia Grande. Even with the option of using landfill, the deployment of the unit of thermal treatment of waste is presented as an alternative more favorable, having been taken into account in the proposed model, both environmental and economic aspects.