UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E AMBIENTAL PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL (POSDEHA)
ANDERSON BARBOSA ARAÚJO
PANORAMA, ESTIMATIVA E AVALIAÇÃO DO POTENCIAL DE PRODUÇÃO E UTILIZAÇÃO DO BIOGÁS DE REATORES UASB EM ETES OPERADAS PELA
COMPANHIA DE ÁGUA E ESGOTO DO CEARÁ
FORTALEZA 2019
ANDERSON BARBOSA ARAÚJO
PANORAMA, ESTIMATIVA E AVALIAÇÃO DO POTENCIAL DE PRODUÇÃO E UTILIZAÇÃO DO BIOGÁS DE REATORES UASB EM ETES OPERADAS PELA
COMPANHIA DE ÁGUA E ESGOTO DO CEARÁ
Dissertação apresentada ao Curso de Pós-Graduação em Engenharia Hidráulica e Ambiental, da Universidade Federal do Ceará, ênfase em Saneamento Ambiental, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil (Recursos Hídricos).
Orientador: Prof. Dr. André Bezerra dos Santos.
FORTALEZA 2019
ANDERSON BARBOSA ARAÚJO
PANORAMA, ESTIMATIVA E AVALIAÇÃO DO POTENCIAL DE PRODUÇÃO E UTILIZAÇÃO DO BIOGÁS DE REATORES UASB EM ETES OPERADAS PELA
COMPANHIA DE ÁGUA E ESGOTO DO CEARÁ
Dissertação apresentada ao Curso de Pós-Graduação em Engenharia Hidráulica e Ambiental, da Universidade Federal do Ceará, ênfase em Saneamento Ambiental, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil (Recursos Hídricos). Área de concentração: Saneamento Ambiental.
Aprovado em: 22/11/2019.
BANCA EXAMINADORA
________________________________ Prof. Dr. André Bezerra dos Santos (Orientador)
Universidade Federal do Ceará (UFC)
________________________________
Prof. Dr. Francisco Suetônio Bastos Mota (Examinador interno) Universidade Federal do Ceará (UFC)
________________________________
Prof. Dr. Marcos Erick Rodrigues da Silva (Examinador externo)
AGRADECIMENTOS
Aos meus pais, Francisco Josineto e Ana Beatriz, por não terem deixado de perguntar para mim o que estava faltando para eu defender minha dissertação, ainda que meu silêncio fosse minha resposta; por não terem me deixado desistir, por estarem sempre presentes quando eu precisava e por mostrar o significado mais puro do amor.
À minha irmã, Josiana Beatriz, pelas constantes distrações como tentativas de me fazer desopilar e por mostrar, diariamente, que ser apaixonado pelo que faz é o diferencial para a qualidade do resultado final.
À Conceição de Maria (in memorian), pelos repetidos exemplos de perseverança e hombridade e pelas vezes em que botou em prática o clichê de que “quem acredita sempre alcança”. Que o tempo me permita conservar você e suas lições de vida sempre límpidos na minha memória e no meu coração.
Ao meu orientador, Prof. Dr. André Bezerra dos Santos, que, mesmo atribulado, não só aceitou me acompanhar no início do ciclo de mestrado, enquanto eu ainda trabalhava na CAGECE, mas também permaneceu ao meu lado, com muita paciência, quando a dissertação era minha última prioridade de vida. Obrigado por ter acreditado e confiado em mim, por nunca ter duvidado do meu potencial, ainda que eu mesmo questionasse ser merecedor disso.
Ao Pedro Mouta, graduando em Engenharia Ambiental, também aluno do professor André, pelas ajudas montando e verificando planilhas, apontando meus erros e me ajudando a decidir que diretrizes adotar na representação dos resultados.
À banca avaliadora, Prof. Dr. Suetônio Bastos Mota e Prof. Dr. Marcos Erick Rodrigues da Silva, por disponibilizar tempo para ler a dissertação, questionar e assistir à defesa, contribuindo para o melhoramento do ambiente acadêmico de discussão e produção científica, tão minado e renegado, ultimamente, por governantes e ignorantes da sociedade civil.
Aos meus amigos, Vicente, Karinne, Pedro, Ananda, Lia, Karine, Ana Cléa, Mariana, Mayla, Tito, Júnior, Dudu, Wescley, Roberto, Breno, Ricarte, Laurentino, Carla, Virgínia, Anderson, Íkaro, Renata, Carol, Leonardo e tantos outros que me deram dicas, que
me fizeram rir e criar forças para voltar para casa renovado, preparado para mais uma sessão de leitura, digitação, análise e manipulação de dados na frente do computador.
À Universidade Federal do Ceará (UFC), ao Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental (DEHA), a todos os professores e demais colaboradores do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil (Recursos Hídricos), com ênfase em Saneamento Ambiental, pela oportunidade de promover um ambiente de ensino de altíssima qualidade, incentivando a produção científica e instigando todos os alunos, sem descriminação, a fazermos a diferença no mundo, começando pela nossa comunidade, ao nosso redor.
À Companhia de Água e Esgoto do Ceará (CAGECE), por ter me acolhido em primeiro momento como estagiário e, posteriormente, como engenheiro; por ter me ajudado a vivenciar os conhecimentos, em sua maioria, teóricos da Universidade de uma maneira prática e por disponibilizar os dados para levantamentos e estimativas contidos nessa dissertação.
À Secretaria Municipal do Desenvolvimento Habitacional de Fortaleza (Habitafor), meu atual ambiente de trabalho, pelas vezes em que precisei me ausentar fisicamente ou ainda por compreender as ocasiões em que estava presente de corpo, mas com a mente em outro lugar. Em especial, gostaria de agradecer à Salomit, Mariana, Bia, Tânia, Cadinho, Adna, Carliane, Gorete, Eliene, Claudinha e Geane por conseguirem aliviar o peso de acordar cedo todos os dias e enfrentar as adversidades do cotidiano laboral.
Ao Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Estações Sustentáveis de Tratamento de Esgoto – INCT ETEs Sustentáveis, pelo pioneirismo na busca por fontes renováveis de energia.
Por fim, agradeço a todos os que aqui não foram citados, mas que, pessoalmente ou por pensamento, direto ou indiretamente, constante ou esporadicamente, torceram por mim, me apoiaram e me ajudaram a fechar mais um ciclo na minha vida, o qual me permitiu alcançar o título de Mestre em Engenharia Civil.
"Como é maravilhoso que ninguém precise esperar um minuto sequer antes de começar a melhorar o mundo." Anne Frank, 1947
RESUMO
Esse trabalho teve como objetivo diagnosticar e avaliar o potencial de aproveitamento energético do biogás de reatores UASB em ETEs operadas pela CAGECE. Para inventariar essas estações de esgoto, quantificá-las por tecnologia adotada, classificá-las quanto ao porte por população e vazão e estimar a eficiência das ETEs com reatores UASB, foram levantadas planilhas junto à CAGECE e consultada a base de dados da ANA. Adicionalmente, utilizaram-se literaturas atualizadas para levantamento de taxas de consumo de energia elétrica e de energia térmica, além de índices de produção de DQO e de biogás. Os resultados obtidos, após tratamento estatístico adequado e exclusão de outliers, foram representados, com a ajuda do Excel, em formatos de gráficos, tabelas e quadros. Dessa forma, embora se tenha notado superioridade numérica da tecnologia decanto-digestor em estações de micro e pequeno porte, percebeu-se grande viabilidade quanto à utilização da energia térmica do biogás proveniente das ETEs com reatores UASB para cocção de alimentos em fogões apropriados. Apreendeu-se também que, durante a análise das eficiências das estações com reatores UASB, a maioria das ETEs ficou enquadrada nas categorias de pior situação (PS) e situação típica (ST), bem como foi fácil perceber que aquelas em que a rota tecnológica contemplava um pós-tratamento apresentaram maior poder de remoção de DQO do que as sem pós-tratamento. Em relação ao cenário proposto para substituição do previsto no Plano Municipal de Saneamento Básico de 2014, notou-se grande geração de créditos de carbono e uma produção energia elétrica suficiente tanto para suprir as demandas internas das ETEs propostas, como para retornar à rede de abastecimento energético, promovendo lucros para a CAGECE. Finalmente, o estudo econômico dessa proposição retornou valores de CAPEX e OPEX que permitiram amortizar os custos desse investimento em curto prazo, diferentemente do calculado para a previsão do PMSB.
ABSTRACT
This study aimed to assess and evaluate the energy reuse potential of biogas from UASB reactors in sewage treatment plants (STP) operated by CAGECE. A STP inventory concerning the units in Ceara was done in order to quantify its plants by their adopted technologies, to classify them with regard to their population size and wastewater flow rate, and to estimate the efficiency of STPs with UASB reactors. CAGECE provided institutional Excel spreadsheets to be consulted along with the online National Water Agency database. A big range of updated scientific literature was also consulted in order to gather information about electric and thermic energy consumption rates, as well as COD and biogas production indexes. The obtained results, after a thorough statistical analysis and purge of outliers, using Excel, were then represented in graphics, tables and charts. Hence, although there has been noticed a numerical superiority of micro and small STPs using septic tank, it was also possible to realize a great feasibility in regards of reusing biogas from STP with UASB reactors to produce thermic energy and feed appropriate stoves in order to cook food. During the STP UASB reactor efficiency analyses, the majority of the STP was placed in the worst scenario (WS) and typical scenario (TS) categories, and it was easy to notice that those STPs of which technological route contemplated some kind of effluent post-treatment process also presented a higher capacity of removing COD than the ones without a post-treatment unit. Concerning the projected scenario by the 2014 BSMP and the proposed alternative, there was a large carbon credits generation and a tremendous production of electricity which was enough not only to supply the STPs internal demands, but also to produce energy credits with the state energy utility, providing profits to the state water and wastewater utility. Finally, the economic study performed for the alternative proposal returned CAPEX and OPEX values that permitted a short-time pay-back of these investments, which did not happen to the 2014 BSMP projected scenario.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – (a) Número de ETEs por categoria de município; (b) Número total de ETEs por
tecnologia. ... 22
Figura 2 – Incremento (em azul) na quantidade de plantas de biogás na Europa. ... 25
Figura 3 – Processo de digestão anaeróbia e redução de sulfato. ... 30
Figura 4 – Rotas de conversão de DQO e fluxo do metano em reatores UASB. ... 38
Figura 5 – Simulação do balanço de massa de DQO, no pior cenário. ... 39
Figura 6 – Tratamento do biogás conforme seu uso final. ... 42
Figura 7 – Aplicabilidade de diversas tecnologias quanto à vazão de ar e à concentração do poluente. ... 43
Figura 8 – Fluxograma da ETE Arrudas. ... 49
Figura 9 – Fluxograma conceitual, esquemático e completo de uma ETE sustentável de pequeno porte. Os losangos representam oportunidades de tomadas de decisão, com diferentes rotas tecnológicas a serem escolhidas. ... 51
Figura 10 – Esquema de queimador de fogão a biogás. ... 52
Figura 11 – Fogão a biogás individual doméstico. ... 53
Figura 12 – Fogão a biogás comunitário. ... 53
Figura 13 – Fluxograma das alternativas de aproveitamento do biogás em ETEs operando com reatores UASB. ... 54
Figura 14 – Mapa das unidades de negócio da CAGECE no interior. ... 56
Figura 15 – Foto aérea da Estação de Pré-Condicionamento (EPC) de Fortaleza. ... 58
Figura 16 – Percentual das tecnologias adotadas em ETEs operadas pela CAGECE. ... 69
Figura 17 – Representação da quantidade de tecnologias adotadas por unidade administrativa da CAGECE, em 2018. ... 71
Figura 18 – Quantitativo de ETEs operadas pela CAGECE por unidade administrativa. ... 73
Figura 19 – Representação do percentual de ETEs operadas pela CAGECE, em 2018. ... 74
Figura 20 – Quantitativo de ETEs por tecnologia adotada, em cada faixa populacional. ... 76
Figura 21 – Quantitativo de ETEs por tecnologia adotada, em cada faixa de vazão. ... 78
Figura 22 – Eficiências de remoção de DQO das ETEs de reatores UASB sem pós-tratamento. ... 80
Figura 23 – Eficiências da remoção de DQO das ETEs de reatores UASB com pós-tratamento. ... 82
Figura 24 – Eficiências de remoção de DQO das ETEs de reatores UASB de Fortaleza, no ano de 2018. ... 87 Figura 25 – Eficiências de remoção de DQO das ETEs de reatores UASB da Região
Metropolitana de Fortaleza, no ano de 2018. ... 88 Figura 26 – Eficiências de remoção de DQO das ETEs de reatores UASB do interior do
Ceará, no ano de 2018. ... 91 Figura 27 – Situação atual das ETEs do Ceará, com tecnologia reatores UASB, quanto à
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 – Contaminantes comumente presentes no biogás e suas adversidades. ... 35 Quadro 2 – Estimativa de produção de metano e potencial elétrico do biogás. ... 36 Quadro 3 – Classificação de tecnologias para tratamento do biogás quanto a sua natureza. ... 44 Quadro 4 – Correspondência das unidades de negócio por bacia administrativa. ... 55 Quadro 5 – Classificação das ETEs quanto à tecnologia e à tipologia de tratamento. ... 57 Quadro 6 – Grupos por intervalo populacional. ... 59
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Oferta interna de energia no Brasil e no Mundo (%)... 19
Tabela 2 – Perspectivas de crescimento das diversas fontes energéticas no Brasil. ... 20
Tabela 3 – Comparação do poder calorífico de alguns combustíveis. ... 33
Tabela 4 – Composição do biogás originário de diferentes fontes. ... 34
Tabela 5 – Características das ETEs, produção de biogás e potencial de recuperação energética obtidos da validação do modelo matemático desenvolvido. ... 39
Tabela 6 – Parâmetros adotados no cômputo do potencial energético a partir do biogás de reatores UASB. ... 63
Tabela 7 – Relações unitárias de produção de metano, de biogás e de energia em reatores UASB tratando esgoto doméstico. ... 64
Tabela 8 – Dados das ETEs de Fortaleza de acordo com o PMSB, para o ano de 2033... 65
Tabela 9 – Quantitativo das tipologias adotadas no estado do Ceará. ... 68
Tabela 10 – Quantitativo de ETEs por unidade administrativa e por tecnologia. ... 72
Tabela 11 – Classificação das ETEs do Ceará por porte, quanto à população atendida. ... 75
Tabela 12 – Classificação das ETEs do Ceará por porte, quanto à vazão afluente. ... 77
Tabela 13 – Avaliação da produção de biogás e geração de energia térmica das ETEs de Fortaleza (UN-MTE). ... 85
Tabela 14 – Avaliação da produção de biogás e geração de energia térmica das ETEs da RMF (UN-BME). ... 89
Tabela 15 – Avaliação da produção de biogás e geração de energia térmica das ETEs do interior do Ceará. ... 92
Tabela 16 – Relações unitárias obtidas e classificação das ETEs quanto ao modelo de Lobato (2011). ... 93
Tabela 17 – Previsão de consumo elétrico das ETEs aeróbias em Fortaleza, para 2033. ... 97
Tabela 18 – Avaliação da previsão de produção de biogás e geração de energia elétrica em Fortaleza, no ano de 2033. ... 99
Tabela 19 – Análise financeira da alternativa prevista para Fortaleza, pelo PMSB (2014), em 2033. ... 104
SUMÁRIO INTRODUÇÃO ... 16 1 OBJETIVOS ... 18 2 2.1 Objetivo Geral ... 18 2.2 Objetivos Específicos ... 18 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 19 3 3.1 As motivações e perspectivas do biogás no cenário energético do Brasil e do mundo ... 19
3.2 A digestão anaeróbia em reatores UASB e a origem do biogás ... 28
3.3 Composição, potencial energético e estimativa de perda do biogás oriundo de reatores UASB ... 32
3.4 Alternativas de tratamento e análises das aplicações do biogás de ETEs para fins energéticos ... 41
MATERIAL E MÉTODOS ... 55
4 4.1 Informações gerais da pesquisa ... 55
4.2 Levantamento, quantificação e organização dos dados ... 56
4.3 Estimativas do potencial energético do Ceará ... 61
4.4 Análise financeira dos cenários avaliados ... 67
RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 68
5 5.1 Das quantidades, tipologias e tecnologias adotadas no Ceará ... 68
5.2 Dos portes das estações de tratamento de esgoto ... 74
5.4 Do potencial atual de produção de biogás no Ceará ... 83
5.5 Do prognóstico energético para as ETEs de Fortaleza ... 96
5.6 Da avaliação econômica das ETEs propostas ... 102
CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ... 106
6 REFERÊNCIAS ... 108
INTRODUÇÃO 1
Atualmente, já é consenso que água, alimento e energia são três dos recursos que mais preocupam o mundo quanto à disponibilidade de fontes úteis para benefício da população. Por causa disso, efluentes domésticos começaram a ser considerados, mais preferencialmente, como uma fonte desses recursos do que meramente como um rejeito líquido (McCARTY et al., 2011). Aliado a isso, o aumento dos preços do barril de petróleo, a possibilidade de desabastecimento energético e o maior crescimento da preocupação ambiental da população vêm forçando uma mudança na forma de pensar dos grandes exploradores de fontes energéticas não-renováveis, para que seja dada maior ênfase à prospecção de tecnologias renováveis, como a solar, a eólica, a marítima e a biomassa (DEUBLEIN; STEINHAUSER, 2011).
Essa mudança de paradigma, no que se refere à nova imagem do efluente de estações de tratamento de esgoto (ETEs), já é uma realidade cada vez mais praticada no século XXI, pelo menos em países cujos governantes demonstram maior interesse com a qualidade ambiental e maior conhecimento a respeito da interveniência desse fator aos índices de qualidade de vida da população regional e global (METCALF e EDDY, 2016). De fato, sabe-se que, hoje em dia, podem-se recuperar, por meio da utilização de esgotos, nutrientes e fertilizantes de culturas agrícolas, como nitrogênio (N) e fósforo (P); recursos hídricos, posto que os efluentes domésticos são compostos de aproximadamente 99,9% de H2O (VON
SPERLING, 1995); e energia, como pela utilização do metano (CH4) contido no biogás,
componente responsável pelo seu poder de queima.
Entretanto, para Makropolus et al. (2018) apud Bressani-Ribeiro et al. (2019), a recuperação desses recursos geralmente acontece, quando muito, somente em situações específicas, com motivações extras, por exemplo: condições de seca na região, legislações e/ou incentivos especiais e posicionamentos favoráveis ao meio ambiente em escala local. Contudo, no Brasil, principalmente na região Nordeste, a qual convive constantemente com longas crises hídricas, pouco se investe em práticas voltadas para a recuperação de recursos oriundos do tratamento de efluentes domésticos.
No âmbito do estado do Ceará, apenas 39% das cidades contemplam sistemas coletivos de esgotamento sanitário (SES) (CAGECE, 2019). De acordo com Bressani-Ribeiro
et al. (2019), em se tratando das cidades brasileiras, a crítica infraestrutura do saneamento
mobilização de recursos financeiros para a área, impedindo a concepção de SES baseados nos princípios de sustentabilidades supracitados, ou seja, de sistemas capazes de promover uma abordagem integrada para o gerenciamento das fases líquidas, sólidas e gasosas do tratamento de efluentes domésticos, a fim de se promover a preservação de recursos naturais.
Nesse contexto, a digestão anaeróbia das frações orgânicas de resíduos sólidos municipais (OFMSW, do inglês Organic Fraction Municipal Solid Waste) tem sido alvo de estudos nas últimas décadas, a fim de se conceber uma tecnologia que consiga aliar a estabilização desses resíduos e a recuperação de recursos energéticos em nível mundial (BALAT e BALAT, 2009). Adicionalmente, para o tratamento anaeróbio de efluentes domésticos naquelas regiões menos economicamente desenvolvidas e de clima mais tropical,
i.e., no Brasil, Metcalf e Eddy (2016) indicam, fortemente, que a utilização de reatores UASB
é uma alternativa atraente devido aos baixos pré-requisitos de área, baixos custos de instalação, manutenção e operação, condições climáticas favoráveis para otimização da geração de biogás e reduzida produção de biomassa (lodo), o que, por conseguinte, impulsiona a escolha dessa tecnologia de tratamento de efluentes domésticos nessas localidades.
Estudos em diversas escalas (bancada, piloto e real) e em diferentes localidades nacionais (regiões Sul, Sudeste e Centro-Oeste) e internacionais (EUA, Colômbia, Alemanha, entre outros) verificaram que o biogás proveniente de ETEs pode ser aproveitado de inúmeras maneiras, apresentando versatilidades que permitem a adoção da prática mais apropriada, a depender da análise das peculiaridades de cada local, tais como recurso financeiro disponível, temperatura ambiente, porte da ETE, tecnologia de tratamento instalada, concentração de constituintes no efluente e a finalidade a que o biogás gerado servirá.
Contudo, desconhece-se de um estudo mais detalhado sobre o diagnóstico e avaliação do potencial de aproveitamento energético do biogás de reatores UASB em ETEs operadas pela CAGECE, assim como dos benefícios da inclusão de reatores UASB como opção de rota tecnológica para os sistemas centralizados de tratamento para Fortaleza que a CAGECE planeja para o futuro.
OBJETIVOS 2
2.1 Objetivo Geral
Diagnosticar e avaliar o potencial de aproveitamento energético do biogás de reatores UASB em ETEs operadas pela CAGECE.
2.2 Objetivos Específicos
Estimar e comparar a perda energética do Ceará pelo não aproveitamento do biogás de reatores UASB;
Classificar as ETEs operadas pela CAGECE quanto ao porte, à capacidade de tratamento de efluentes e à situação de produção de metano, biogás e energia;
Expor o panorama da CAGECE quanto à utilização de reatores UASB e demais tecnologias de tratamento de esgotos;
Contribuir para a concepção de ETEs sustentáveis na CAGECE, por meio do aperfeiçoamento da geração de energia pelo aproveitamento do biogás, sugerindo a substituição de tecnologias de tratamento de esgoto obsoletas ou que não favoreçam a produção desse gás;
Promover uma análise econômica da previsão para as estações de tratamento de esgoto de Fortaleza, contempladas no Plano Municipal de Saneamento Básico, bem como sugerir uma alternativa mais atraente;
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3
3.1 As motivações e perspectivas do biogás no cenário energético do Brasil e do mundo
De acordo com o Ministério de Minas e Energia (MME) (BRASIL, 2018), em seu estudo intitulado de “Resenha Energética Brasileira”, que avaliou e comparou as matrizes energéticas do Brasil, dos países componentes da Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Econômico (OCDE) e de outras unidades federativas, percebeu-se que, nos últimos 45 anos, houve uma significativa mudança no que se refere à oferta energética interna desses países, como pode ser percebido na Tabela 1. Entretanto, de uma forma geral, foi notória a redução de 14,4% do consumo de derivados de petróleo para produção de energia, acompanhado por um discreto aumento de 5,9% e 1,1% de oferta de energia por fontes renováveis, na OCDE e no mundo, respectivamente.
Vale ressaltar que figuram, na OCDE, 36 países, dentre os quais, os maiores investidores em energias renováveis, como a Alemanha, além de França, Coreia do Sul, Estados Unidos, Canadá, Portugal, Israel, Japão e Reino Unido.
Tabela 1 – Oferta interna de energia no Brasil e no Mundo (%).
Fonte Brasil OCDE Outros Mundo
1973 2018 1973 2018 1973 2018 1973 2018 Derivados do petróleo 45,6 34,4 52,6 35,4 29,9 25,8 46,1 31,7 Gás Natural 0,4 12,5 18,9 27,6 12,9 20,9 16,0 22,7 Carvão Mineral 3,2 5,8 22,6 16,6 31,1 34,4 24,6 26,1 Hidráulica 6,1 12,6 2,1 2,2 1,2 2,6 1,8 2,6 Outras Renováveis 44,8 32,6 2,5 8,4 24,7 13,7 10,6 11,7 Fonte: O autor (2019), adaptado de BRASIL (2018).
Contudo, ao avaliar exclusivamente o Brasil, pode-se perceber que o país foi de encontro à tendência mundial, visto que se constatou um decréscimo de 12,2% na oferta de energia por fontes renováveis, bem como um acréscimo no consumo de energia de fonte hidráulica e de gás natural. Esse fato reflete o esforço (ou a falta dele) quanto à substituição da matriz de produção de energia brasileira para uma mais limpa e sustentável, significando uma perda de potencial energético.
Ainda de acordo com o MME (BRASIL, 2007), em seu estudo quanto à matriz energética de 2030 do Brasil, a taxa de crescimento dos recursos energéticos para a categoria “outras fontes primárias renováveis” (biodiesel, biogás e energia eólica), após análise das perspectivas nos anos de 2005 a 2030, apresentou valor total igual a 8,67% ao ano, cerca de 3,5 vezes superior à taxa para petróleo e derivados (Tabela 2). Isso corrobora o fato de que, cada vez mais, o cenário para o aumento de investimento em energia renovável está se tornando favorável e atraente não só para grandes consumidores, como indústrias e grandes centros comerciais, mas também para pequenos consumidores, como pontos de comércios simples e residências.
Tabela 2 – Perspectivas de crescimento das diversas fontes energéticas no Brasil.
2005-2010 (%) aa 2010-2020 (%) aa 2020-2030 (%) aa 2005-2030 (%) aa Energia não-renovável 5,6 3,1 3,3 3,65 Petróleo e derivados 2,8 2,1 2,7 2,47 Gás natural 12,7 4,3 4,3 5,92 Carvão mineral 7,8 4,2 2,4 4,20 Urânio e derivados 12,7 8,0 5,4 7,87 Energia renovável 4,3 4,3 3,6 3,99 Hidroeletricidade 3,1 3,7 3,2 3,42
Lenha e carvão vegetal -0,2 0,0 0,9 0,30
Etanol 5,5 5,9 4,0 5,04
Outras fontes primárias renováveis
18,4 7,5 5,2 8,67
Fonte: O autor (2019), adaptado de BRASIL (2007).
Devido ao constante aumento da preocupação com a causa ambiental e ao desenfreado consumo de recursos naturais, vem-se pesquisando tecnologias renováveis e economicamente viáveis, que possam substituir as convencionais, dando preferência àquelas que apresentam alto potencial energético e baixo custo de implantação/manutenção. A utilização de recursos renováveis tem, também, o importante papel de reduzir emissões gasosas de CO2 mundialmente, e a energia proveniente de biomassa e de resíduos tornou-se
uma forte candidata devido ao fato de garantir continuidade de geração ao longo do ano e em diversas regiões do mundo, diferentemente de outras energias renováveis, e.g.: solar e eólica, que são mais dependentes da época do ano e da posição geográfica do local de produção (LISOWYJ e WRIGHT, 2018). Os autores complementam que a prática de produção de energia por meio de resíduos, WtE (do inglês, Waste do Energy), é ideal no sentido de evitar a competição por área agriculturável (para produção de alimentos) e demais usos do solo.
Uma alternativa que faz parte do grupo de “outras fontes primárias renováveis”, da Tabela 2, e que se encaixa no perfil supracitado é a utilização do biogás para produção de energia, em especial do biogás proveniente do tratamento de esgotos, por meio de reatores UASB (do inglês Upflow Anaerobic Sludge Blanket), visto que o Brasil é considerado detentor do maior parque de reatores anaeróbios aplicados para tratamento de efluentes do mundo (CHERNICHARO et al., 2018a), o que pode ser explicado pelo fato de que, como apontado em inúmeros estudos, haver uma economia efetiva, principalmente na associação de reatores UASB com pós-tratamento aeróbio, dos custos de implantação (CAPEX), em torno de 20 a 50%, e de operação (OPEX), superior a 50%, quando comparados à tecnologia de lodos ativados (SILVA, 1993; ALEM SOBRINHO e JORDÃO, 2001; von SPERLING e CHERNICHARO, 2005; CHERNICHARO, 2006, apud CHERNICHARO et al., 2018a).
Para Lisowyj e Wright (2018), a produção de energia por meio do biogás proveniente da digestão anaeróbia está se tornando cada vez mais viável devido ao fato de que legislações prevendo essa tecnologia continuam em ascensão quanto a sua importância para a população mundial. Dessa forma, os autores imaginam que, após maiores aprofundamentos para aperfeiçoar a eficiência do processo, aumentando a recuperação de metano e diminuindo os custos, a utilização de biogás para fins energéticos será capaz de substituir o emprego de combustíveis fósseis e promover uma rota de redução da emissão de metano de reatores anaeróbios na atmosfera.
Essas constatações tornam o uso de reatores UASB, seja como tratamento único, seja seguido de algum pós-tratamento, uma tendência no que concerne o tratamento de esgotos no Brasil, como foi fortalecido por Chernicharo et al. (2018a), que constataram, após a totalidade de 1.667 ETEs inventariadas nas regiões Sul, Sudeste e Centro-Oeste, o emprego de 40%, aproximadamente, de reatores UASB nessas estações, expressando a elevada aceitação desta tecnologia como, pelo menos, primeiro estágio no tratamento de esgotos, independentemente do porte da ETE, como pode ser verificado na Figura 1.
Figura 1 – (a) Número de ETEs por categoria de município; (b) Número total de ETEs por tecnologia.
Fonte: CHERNICHARO et al. (2018a).
CHERNICHARO et al. (2018a) perceberam que, em que pese apenas as ETEs com população equivalente acima de 100.000 habitantes (totalizando 10,7 milhões de contribuintes de esgoto), o potencial energético diário com o uso de reatores UASB atinge cerca de 110.000 Nm³ de CH4, i.e., o equivalente a 108,1 GWh.ano-1 de produção de energia
elétrica. Esse valor energético seria o suficiente para abastecer aproximadamente 48.830 residências, podendo atingir números até maiores, caso haja aperfeiçoamento de reatores obsoletos tecnologicamente, melhoria no sequestro de metano dissolvido no efluente, maior estanqueidade para evitar vazamentos de biogás para a atmosfera e minimização de ligações clandestinas de água pluvial na rede coletora de esgoto.
Adicionalmente, o aproveitamento do biogás proveniente de reatores UASB também apresenta os seguintes benefícios, direto e indiretamente (ROSA et al., 2016; LOBATO, 2011; IPCC, 2013, apud CABRAL et al., 2016; MOREIRA et al., 2018; POSSETTI et al., 2018; CHERNICHARO et al., 2010; SHEN et al., 2015):
a. Descentralização da geração de energia, reduzindo a sobrecarga das concessionárias de energia em subestações mais distantes dos grandes centros metropolitanos e minimizando a dependência energética da região, além de transformar ETEs (potenciais geradoras de impactos ambientais e onerosas à administração pública) em centros de geração de lucro e renda;
b. Perspectiva de lucro adicional pela produção e comercialização de energia elétrica, medida já prevista nas normas das agências reguladoras de energia, bem como a utilização de um subproduto do tratamento de esgotos, ou seja, agregando valor econômico a um rejeito, além da possibilidade de geração de empregos verdes (atividades na agricultura, indústria, pesquisa e administração que contribuem para a preservação ou recuperação da qualidade ambiental);
c. Redução do consumo e dos gastos com a energia elétrica proveniente dessas concessionárias, possibilitando a utilização da eletricidade proveniente de um gerador de energia a biogás para o acionamento de equipamentos na própria ETE, como sopradores, dosadores de produtos químicos, computadores, lâmpadas e bombas hidráulicas, fomentando a ideia de ETEs sustentáveis e produzindo créditos de carbono por meio do uso de energia renovável;
d. Oportunidade de cogeração de calor, para cocção ou em forma de vapor, que poderá ser utilizado na secagem térmica de lodo e escuma, favorecendo maior controle sanitário e reduzindo os custos no transporte e na disposição final do lodo, o qual poderá ser aproveitado na agricultura (incentivando a agricultura familiar, o uso de efluentes no lugar de fertilizantes sintéticos, a minimização do volume e peso de resíduos sólidos direcionados a aterros sanitários e a economia de água na irrigação de culturas, reduzindo, de uma forma geral a contaminação e a depleção de recursos naturais como os recursos hídricos superficiais e subterrâneos);
e. Minimização do efeito estufa tanto pela redução da emissão de metano (CH4), uma vez que este apresenta potencial de aquecimento
aproximadamente 25 vezes maior quando comparado ao gás carbônico (CO2),
como pelo aumentado sequestro de carbono das medidas do item “d”, e.g., ao reduzir a quantidade de lodo transportado, também há menos emissões de CO2
nesse serviço;
f. Mitigação das emissões de maus odores no entorno da ETE, além de reduzir os índices de reclamação da vizinhança, uma vez havendo a retenção ou eliminação dos diferentes causadores de odor que podem compor o biogás (principalmente o gás sulfídrico, H2S, e outros compostos orgânicos voláteis),
Portanto, pode-se afirmar que a alternativa de geração energética por meio da utilização do biogás resultante da digestão anaeróbia de reatores UASB promove benefícios holísticos, uma vez que se podem perceber melhorias nos ramos da economia, do social, do meio ambiente, do clima, da seguridade energética e da saúde pública.
Embora, no Brasil, ainda seja incipiente (MOREIRA et al., 2018), diversos países já estão investindo em tecnologias renováveis para incentivar a geração de energia sustentável há anos, não somente por meio do aproveitamento de biogás oriundo de reatores UASB, como, inclusive, foi constatado pela Tabela 1. De fato, os países europeus, desde o firmamento do Protocolo de Quioto, em 1997, vêm substituindo, gradativamente, o uso de fontes fósseis para fins geração de energia por medidas sustentáveis de igual ou maior eficiência energética, integração entre os sistemas energéticos dos países desse continente, uso de veículos elétricos, investimento em transportes de massa e uso de tecnologias da informação e comunicação para integração dos sistemas elétricos, entre outras medidas (SÜHLSEN e HISSCHEMÖLLER, 2014, apud MARIANI, 2018).
Em adição a todas as potencialidades ora apresentadas, ainda de acordo com Mariani (2018), o biogás se tornou mais atrativo nos países europeus, pois a substituição do gás natural importado da Rússia pelo biogás garantiria menor dependência desse país e, consequentemente, maior segurança energética. Isso foi intensificado, nesse continente, por meio de diversas políticas públicas, bem como incentivos econômicos e regulatórios. Ademais, houve também o início a cultivos de substratos energéticos, como o milho e outros grãos, além de resíduos, visando à produção de biogás com maior poder calorífico.
Nesse sentido, dos países da Europa que investiram no uso de biogás para fins energéticos – Suíça, Suécia, Itália e os países do Reino Unido – Alemanha e Áustria figuram nas posições de maior destaque. Em contrapartida, fora da Europa, pode-se citar, na região do sudeste asiático e do pacífico leste, Bangladesh, Nepal, Paquistão e Vietnã, além de China e Índia, que são os maiores produtores de energia por meio de biogás proveniente de biodigestores em escala doméstica e rural, diferentemente dos países da Europa, que possuem, em sua maioria, reatores de escala produtiva (GWADR, 2015; MARIANI, 2018).
A Figura 2 mostra o crescimento, em números absolutos e pontos percentuais, da quantidade de plantas de biogás na Europa, a partir do ano de 2009, em que houve a definição de metas para redução de gases de efeito estufa na União Europeia. Desse ano até 2016, percebeu-se o surgimento de mais de 17 mil plantas de biogás, ou seja, quase três vezes
superior à totalidade em 2009. Por fim, Mariani (2018) afirma que, embora o número absoluto tenha crescido, a redução de subsídios tarifários governamentais para geração de energia elétrica fez a taxa (percentual) de crescimento declinar.
Como uma das maiores referências na área, a Alemanha tem focado no aumento da utilização de energia renovável de 9,1% para 20% até 2020, desenvolvendo um programa climático que alinhou a redução de GEE e a geração de energia, no qual foi previsto que a geração de 25 a 30% de eletricidade e 14% de calor deveria ser de fontes renováveis (PÖSCHL et al., 2010). Para isso, percebeu-se que uma das estratégias para atendimento desses parâmetros seria também a utilização do biogás proveniente da digestão anaeróbia. De fato, Rosa (2013) constatou que, em 2006, a Alemanha já apresentava 778 ETEs com recuperação do biogás para fins energéticos – destacando a geração de eletricidade (75%), produção de calor (15%), queima em flares (6%) e usos públicos fora do terreno das ETEs (3%) –, o que, em termos populacionais, correspondia ao atendimento a 72 milhões de habitantes. Em dados mais atualizados, percebeu-se que, para ETEs do país em questão, a produção de eletricidade e de calor a partir do biogás correspondeu a ordens de 11,5 a 22,0 kWh.hab-1.ano-1 (BRASIL, 2015a).
Figura 2 – Incremento (em azul) na quantidade de plantas de biogás na Europa.
Fonte: EBA (2018), apud MARIANI (2018).
Na América do Norte, para análise do cenário dos Estados Unidos, uma das maiores potências mundiais, os autores Shen et al. (2015) aferiram que, em média, a vazão de esgoto tratado no país atinge a marca de 32.345 milhões de galões por dia (aproximadamente
1,22*108 milhões de metros cúbicos por dia), consumindo 30,2 bilhões de kWh.ano-1 de energia, o equivalente a 3-4% da demanda do país inteiro, agravado pela emissão de 21 milhões de toneladas de gases de efeito estufa. Da vazão total apresentada, os autores constataram que uma fração de 48% é digerida de forma anaeróbia, representando o potencial para geração de biogás. Por outro lado, em 2015, o governo dos EUA promulgou a “Ordem Executiva 13693: Planejando a Sustentabilidade na Nação até 2025”, a qual decretou que a eletricidade consumida pelo governo federal originária de fontes renováveis deve aumentar de 8,3% para 30% na próxima década (LISOWYJ e WRIGHT, 2018). Dessa porcentagem aferida em 2015, os autores constataram que apenas 11,5% eram derivadas de biomassa, representando um interessante campo para investimentos na digestão anaeróbia e utilização do biogás.
Vale ressaltar que a pesquisa em análise mostrou que os maiores custos em ETEs (acima de 30% do total gasto com atividades de operação e manutenção) são com eletricidade. Entretanto, embora a Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (USEPA) tenha reportado que 1484 ETEs produzem biogás anaerobiamente pela digestão de lodo (USEPA, 2011, apud SHEN et al., 2015), menos de 10% delas reaproveitam o biogás para produção de calor e/ou eletricidade a fim de reduzir os custos energéticos e a pegada de carbono, devido às emissões de GEE, das estações (SHEN et al., 2015).
Durante a última década, houve também um maior interesse por biodigestores anaeróbios domésticos na América do Sul, visto que o biogás gerado por tais sistemas pode ser usado para cozinhar, substituindo a lenha (GWADR, 2015). Essa alternativa permitiu que houvesse menor desmatamento de florestas para produção de lenha, diminuição dos gastos domésticos com combustíveis e fertilizantes agrícolas, e a redução do trabalho das donas de casa e das suas crianças que, previamente, eram responsáveis pela coleta da lenha.
Nacionalmente, o Projeto Brasil-Alemanha de Fomento ao Aproveitamento Energético de Biogás no Brasil (PROBIOGÁS), com validade de 2013 a 2017, consistiu em uma iniciativa entre o governo brasileiro, pela Secretaria de Saneamento Ambiental, do Ministério das Cidades, e o governo alemão, pela Deutsche Gesellschaft für Internationale
Zusammenarbeit GmbH (GIZ), a fim de colaborar para a disseminação do uso energético e
eficiente do biogás, reduzindo, consequentemente, as emissões de GEE, uma vez que foi notado que a maior parte das ETEs brasileiras, com recuperação de biogás, desperdiçam o
potencial energético, econômico, social e ambiental do metano, por simplesmente queimá-lo, quando muito, antes do lançamento na atmosfera (BRASIL, 2015a).
O Resumo Técnico do 4º Workshop Internacional sobre aproveitamento energético de biogás de ETEs (BRASIL, 2016a), promovido também pelo PROBIOGÁS, relatou que mediante uma amostragem em torno de 74 milhões de habitantes, a contribuição de aproximadamente 23 milhões de pessoas é atendida por 637 ETEs com a presença de reatores UASB, o que explicita a grande capacidade dessa tecnologia no país. Foi destacado que se sanados os maiores problemas que levam ao baixo sequestro desse gás nos reatores UASB, o aproveitamento de biogás produzido em ETEs que atendem mais de 100.000 habitantes seria suficiente para suprir mais de 10% da demanda de energia elétrica do setor, justificando a necessidade de aprofundamento em estudos de viabilidade nesse ramo.
Nesse mesmo relatório (BRASIL, 2016a), foi pontuado que um dos maiores obstáculos para o aproveitamento energético do biogás que precisa ser transposto é de ordem cultural, i.e., profissionais da área (projetistas, operadores e gestores do setor de saneamento) necessitam alterar suas percepções a respeito das ETEs atuais, pois, mesmo não faltando conhecimento técnico, falta consenso quanto à importância da gestão integrada e sustentável para valorizar o tratamento de esgoto no país, impedindo o desenvolvimento do saneamento ambiental brasileiro. Portanto, a renovação dessa postura é essencial para utilizar o biogás como propulsor do setor de esgotamento sanitário do Brasil.
Lobato et al. (2009) concordam que, em se tratando do cenário brasileiro, espera-se, no futuro, um maior aproveitamento do biogás, principalmente devido à crescente onda de implementação de reatores anaeróbios no tratamento de efluentes industriais, bem como de aterros sanitários com sistema de biogás, para fins de secagem térmica de lodo, geração de vapor em agroindústrias, fornecimento de eletricidade para uso local e distribuição de biogás para pequenas populações vizinhas usarem no cozimento de alimentos.
De fato, a tecnologia de reatores UASB ainda sofre desafios que impossibilitam seu máximo desempenho operacional, abrangendo todas as fases, da mais inicial até o seu comissionamento: problemas técnicos de concepção, processos construtivos inadequados e obstáculos operacionais, incluindo questões essenciais e externas ao terreno físico da ETE, como falhas administrativas e financeiras (CHERNICHARO et al., 2018a) e mão de obra não qualificada, principalmente de operadores das estações. Logo, a utilização do biogás proveniente desses digestores geraria incentivos para o investimento nessa tecnologia de
tratamento de esgotos, de modo que não houvesse prejuízos para o futuro do setor de esgotamento sanitário brasileiro e evitando impactar, sem precedentes, a aceitação da tecnologia anaeróbia no Brasil.
Há que se dizer também que é necessária uma maior integração entre órgãos públicos e privados, incluindo universidades e indústrias, a fim de promover uma melhor estruturação logística e legal, bem como desenvolvimento tecnológico, para melhoramento de redes de distribuição e comercialização do biogás, visto que: (a) a regulação existente é específica para o biometano proveniente de resíduos orgânicos, não existindo uma legislação para o biogás de gás de aterro e esgoto sanitário, sendo permitido seu uso apenas para fins empíricos (ANP, 2015); e (b) as soluções tecnológicas atuais, sob o ponto de vista econômico, ainda impedem a produção e o uso do biogás, mesmo que em menor escala, interferindo na sua entrada na matriz energética brasileira, bem como diminuindo sua competitividade em relação aos combustíveis de origem fóssil (BRASIL, 2017).
3.2 A digestão anaeróbia em reatores UASB e a origem do biogás
O processo de remoção da matéria orgânica em reatores UASB segue as etapas indicadas na Figura 3 e descrição específica a seguir:
a. Hidrólise: consiste no primeiro processo da digestão anaeróbia, em que os compostos orgânicos complexos (polímeros) são quebrados por meio de exoenzimas liberadas pelas bactérias fermentativas (nesse caso, diversos organismos anaeróbios facultativos e obrigatórios entram em ação), originando compostos orgânicos simples (monômeros), solúveis em água, como mono/dissacarídeos, ácidos graxos de cadeia carbônica longa e glicerina, (poli)peptídeos e aminoácidos (METCALF e EDDY, 2016; CHERNICHARO, 2016; VAN HAANDEL e LETTINGA, 1994; DEUBLEIN; STEINHAUSER, 2011). Ainda de acordo com Van Haandel e Lettinga (1994), este processo é considerado o limitante para o processo da digestão anaeróbia, devido, principalmente, à baixa taxa de quebra de lipídios em determinadas temperaturas. b. Acidogênese: a segunda etapa do processo, também chamada de fermentação ou
oxidação anaeróbia (METCALF e EDDY, 2016), é caracterizada pela absorção do material hidrolisado e solúvel no meio, bem como pela produção de ácidos graxos
voláteis (AGV) por bactérias fermentativas acidogênicas, que, em sua maioria, são anaeróbias restritas (VAN HAANDEL e LETTINGA, 1994). Ao final deste processo, os produtos originados serão mais simples do que os da fase anterior, originando um conjunto de substâncias essenciais para as bactérias acetogênicas e as arquéias metanogênicas das fases posteriores (CHERNICHARO, 2016).
c. Acetogênese: nesta fase, entram em ação as bactérias sintróficas acetogênicas, como define Chernicharo (2016), que são as responsáveis pela continuidade da fermentação de compostos intermediários da acidogênese para geração dos substratos precursores do metano, ideais para as arquéias metanogênicas: hidrogênio, dióxido de carbono e acetato (CH3COO-) em equilíbrio químico com
ácido acético (CH3COOH). Adicionalmente, existem microrganismos denominados
homoacetogênicos (DEUBLEIN e STEINHAUSER, 2011), consumidores de hidrogênio, convertendo, paralelamente, hidrogênio e gás carbônico em acetato. Os autores também destacam que as bactérias acetogênicas são produtoras obrigatórias de H2, embora estas não consigam sobreviver em meio ácido (com elevadas
concentrações de hidrogênio dissolvido). Portanto, para que o equilíbrio da microbiota possa ser mantido, essas bactérias devem viver em simbiose com organismos consumidores de hidrogênio e acetato, i.e., as arquéias produtoras de metano (metanogênicas), que por sua vez, só conseguem sobreviver em ambientes com elevadas concentrações de H2 no meio, estabelecendo um relacionamento
sintrópico mutualmente benéfico, ou seja, um mutualismo entre esses domínios. d. Metanogênese: a etapa final é a que efetivamente sintetiza metano e consiste na
atividade de arquéias metanogênicas acetoclásticas, as quais usam o acetato como fonte de carbono e de energia para produção de gás carbônico e metano – –, e de arquéias metanogênicas hidrogenotróficas, responsáveis por capturar hidrogênio (fonte de energia, ou seja, doador de elétrons) e dióxido de carbono (fonte de carbono e aceptor ou receptor final de elétrons) para também produção de metano – – (CHERNICHARO, 2016; VAN HAANDEL e LETTINGA, 1994). Chernicharo (2016) ainda frisa que esses microrganismos são estritamente anaeróbios e sobrevivem satisfatoriamente em ambientes onde não há (ou há em baixas concentrações) aceptores finais de elétrons, como O2, NO3-, Fe3+ e SO42-, conforme mencionado anteriormente, pois
tais arquéias apresentam certa especificidade e utilizam somente uma quantidade reduzida de substratos (por exemplo: ácido acético, hidrogênio e dióxido de
carbono, ácido fórmico, entre outros), i.e., a presença dos outros aceptores deslocaria a reação para rotas preferenciais, interferindo negativamente na formação de metano, fato que não seria desejável sob o ponto de vista de aproveitamento energético do biogás.
Figura 3 – Processo de digestão anaeróbia e redução de sulfato.
Como relatado previamente, um problema bastante comum e que merece ser destacado é a possível simbiose de bactérias acetogênicas com bactérias sulfato-redutoras (também estritamente anaeróbias) em vez de com arquéias metanogênicas, diminuindo a produção de metano, aumentando a geração de sulfeto de hidrogênio (H2S) (DEUBLEIN e
STEINHAUSER, 2011) e, consequentemente, prejudicando a qualidade do biogás gerado.
A redução dissimilativa (ou desassimilatória) do sulfato, ou, como é mais conhecida, sulfetogênese consiste na redução, em ambientes anaeróbios, do íon sulfato (SO4-)
em sulfeto de hidrogênio, por bactérias denominadas de sulfato-redutoras (SRB, do inglês
Sulfate Reducing Bacteria), provocando, normalmente, a oxidação da matéria orgânica
presente no meio (TSUTIYA e SOBRINHO, 2000). As SRBs, então, utilizam o sulfato como aceptor final de elétron no processo de respiração anaeróbia e fonte de enxofre para geração de energia para seu metabolismo (LOPES, 2010).
Devido à capacidade de as SRBs utilizarem o acetato e o hidrogênio, desviando a reação para uma rota alternativa e produzindo menos metano – produto desejável na digestão anaeróbia –, unido ao fato de que a formação do gás sulfídrico acontece anteriormente à metanogênese, devem ser evitadas, ao máximo, altas quantidades de sulfato no esgoto e no reator para que a sulfetogênese não se torne bastante pronunciada e culmine na inibição da geração de CH4 (NUVOLARI, 2011; DEUBLEIN e STEINHAUSER, 2011). Caso contrário,
as SRBs estabelecerão uma relação de competição pelos mesmos substratos com os microrganismos fermentativos, acetogênicos e metanogênicos, reduzindo a formação de CH4
como consequência da perturbação nos processos descritos na Figura 3, que esquematiza a clássica e amplamente difundida representação da digestão anaeróbia (CHERNICHARO, 2016).
Especificamente a respeito deste processo em efluentes sanitários, em uma abordagem estequiométrica, Deublein e Steinhauser (2011) descreveram o processo de digestão anaeróbia por meio de uma equação química geral, incorporando, como se pode perceber, uma parcela referente aos constituintes orgânicos presentes em maior abundância nos esgotos: carboidratos, lipídios e proteínas, como citado por Van Haandel e Lettinga (1994). Essa parcela está representada pelo primeiro termo da Equação 1, o qual também determina a quantidade de produtos do restante da reação química, como pode ser visto nas Equações 4, 5 e 6, para cada um dos constituintes supracitados.
Em que,
𝒙 =𝟏𝟖( 𝒄 𝒉 − 𝟎 − 𝒏 − 𝒔) (2)
𝒚 =𝟏( 𝒄 − 𝒉 − 𝟎 − 𝒏 𝒔) (3)
Para a oxidação de carboidratos:
𝟔 𝟏 𝟔 (4)
De lipídios:
𝟏 𝟔 𝟗 𝟏𝟓 (5)
E de proteínas:
𝟏 𝟓 𝟕𝑵 𝑺 𝟔 𝟏 𝟏 𝑵 𝑺 (6)
Mesmo sendo expressas como um só processo (Equação 1), percebem-se, na digestão anaeróbia, quatro fases (as três primeiras compõem a fermentação ácida, e a última também pode ser chamada de fermentação metanogênica), das quais fazem parte os respectivos microrganismos facilitadores e responsáveis das reações descritas na sequência (VAN HAANDEL e LETTINGA, 1994).
Antes, embora a formação de H2S seja um processo concomitante à digestão
anaeróbia e não uma fase desta, é importante ainda ressaltar o fato de que, como as concentrações de proteína encontradas em efluentes domésticos costumam ser elevadas, e a digestão anaeróbia delas, representada pela Equação 6, gera H2S – componente do biogás
capaz de danificar peças metálicas e também responsável pelo forte odor característico de ovo podre, em ETEs anaeróbias (CHERNICHARO et al., 2010) –, costuma-se destacar este fenômeno para maior controle da quantidade deste gás indesejado e, a esta reação, dá-se o nome de sulfetogênese, cuja intensidade e predominância dependerão da concentração de sulfato no meio (CHERNICHARO, 2016).
3.3 Composição, potencial energético e estimativa de perda do biogás oriundo de reatores UASB
Embora comumente se faça associação ao metano, seu componente mais importante, o biogás, na verdade, é uma mistura de gases de composição variada, de acordo com o tipo e a concentração de matéria orgânica submetida à digestão anaeróbia, bem como
dependente das condições físico-químicas do biodigestor – comentadas no item 3.2 – e das comunidades de organismos presentes nele (NOYOLA et al., 2006). Por exemplo, em se tratando do biogás gerado por reatores UASB, especificamente, Van Haandel e Lettinga (1994) e Chernicharo (2016) afirmam que se podem encontrar teores elevados de CH4
(70-80%), complementados por CO2 em menor concentração, uma vez que a solubilidade do
dióxido de carbono em água é bem maior (devido à formação de íons bicarbonato) do que a do metano, o qual rapidamente se desprende da fase líquida e é liberado sob a forma de bolhas de gás.
Por outro lado, para Balat e Balat (2009), o teor de metano em reatores anaeróbios tratando efluente doméstico atingiria valores máximos em torno de 55 a 65% em volume, enquanto que o teor de CH4 no gás natural atinge 90 a 95%, o que fez os autores concluírem
que o biogás pode ser considerado um gás natural de qualidade inferior. Logo, faz-se necessária a determinação do percentual de metano como importante parâmetro de análise, pois é esse componente que configura, ao biogás, seu poder calorífico, isto é, o valor energético do biogás é diretamente proporcional ao teor de CH4 (METCALF e EDDY, 2016),
como pode ser analisado na Tabela 3, a qual, além de comparar o Poder Calorífico Inferior (PCI) do biogás a outros combustíveis, também analisa a influência do teor de metano e gás carbônico no peso específico deles.
Tabela 3 – Comparação do poder calorífico de alguns combustíveis. Combustível Peso Específico (kg/Nm³) PCI (kcal/kg)
Biogás (40% CH4, 60% CO2) 1,4643 2.338,52
Biogás (60% CH4, 40% CO2) 1,2143 4.229,98
Biogás (75% CH4, 25% CO2) 1,0268 6.253,01
Biogás (95% CH4, 5% CO2) 0,7768 10.469,60
GLP 552(líq.) 2,29(gás) 11.026
Propano Não disponível 22.000
Gás Natural Não disponível 8.554
Lenha 390 2.530
Fonte: O AUTOR (2019), adaptado de ALVES (2000); AVELLAR (2001), apud COSTA (2006).
Entretanto, é consenso que há outros gases na composição do biogás que, mesmo em menores porcentagens, não deixam de ser menos importantes devido aos efeitos adversos que eles provocam à qualidade do biogás destinado à produção de energia renovável, e.g., monóxido de carbono (CO), amônia (NH3), nitrogênio gasoso (N2), hidrogênio gasoso (H2),
gás sulfídrico ou sulfeto de hidrogênio (H2S), vapor de água, argônio (Ar), mercaptanas de
baixo peso molecular (R-SH), siloxanos (H(OSiH2)n) e demais compostos orgânicos voláteis
(COVs) (LISOWYJ e WRIGHT, 2018; BALAT e BALAT, 2009; METCALF e EDDY, 2016; CABRAL, 2016; LOBATO, 2011). Embora o H2S seja o gás odorante mais característico de
ETEs anaeróbias e o mais associado ao biogás, fato que o leva a ser, muitas vezes, o único parâmetro utilizado por especialistas quanto ao tratamento de odores, outros potenciais compostos odorantes achados frequentemente em estações de esgoto são: sulfeto óxido de enxofre (COS), dissulfeto de carbono (CS2), tiofenos (C4H4S), dimetiltrissulfeto ((CH3)2S3),
aminas orgânicas e inorgânicas, ácidos orgânicos, aldeídos e cetonas (ALLEN e PLANK, 1993, apud NOYOLA et al., 2006). A Tabela 4 compara a composição de biogás de diferentes fontes, incluindo os gases mais comumente encontrados.
Tabela 4 – Composição do biogás originário de diferentes fontes. Componente Unidade
Composição volumétrica típica por fonte de biogás Reatores UASB Aterro sanitário Agropecuário Biodigestor de lodo CH4 % 60 a 85 45 a 50 50 a 80 60 a 70 CO2 % 5 a 15 30 a 45 30 a 50 20 a 40 CO % 0 a 0,3 0 a 0,2 - - N2 % 10 a 25 0 a 15 - < 2 H2 % 0 a 3 Traços a > 1 0 a 2 - H2S ppmv 1000 a 2000 10 a 200 100 a 700 Até 1000 O2 % Traços 0,8 - -
NH3 % Traços Traços Traços Traços
Fonte: O AUTOR (2019), adaptado de BEN et al. (2013); DEUBLEIN e STEINHAUSER (2011); CABRAL (2016).
Adicionalmente, o Quadro 1 fornece compostos indesejados e comuns em biogás de reatores UASB, bem como os potenciais efeitos negativos dessas substâncias. Logo, faz-se necessária a identificação prévia dessas substâncias, para que a melhor tecnologia de purificação do biogás seja implementada, potencializando a remoção dos compostos sulfurosos e vapor de água e diminuindo a diluição do biogás em outros gases inertes, como o N2. Dessa forma, será possível obter um biocombustível mais aperfeiçoado e com uma
Quadro 1 – Contaminantes comumente presentes no biogás e suas adversidades. Impurezas Efeitos negativos para o aproveitamento energético do biogás Dióxido de
carbono
Formação de ácido carbônico, causando degradação de peças mecânicas do gerador elétrico.
Água Favorece a corrosão nos sistemas de digestão anaeróbia. Sulfeto de
hidrogênio
Produção de ácido sulfúrico (H2SO4), o qual, além de tóxico, também é
corrosivo. Oxigênio
Presente no biogás quando há inadequada estanqueidade no sistema de digestão anaeróbia, podendo resultar em uma mistura gasosa CH4/O2
inflamável. Compostos
orgânicos voláteis
Presentes sob a forma de hidrocarbonetos halogenados, alifáticos e aromáticos, além de compostos oriundos da redução de enxofre, promovem a precipitação de compostos insolúveis, causando depósitos no biodigestor e obstrução nas peças do sistema anaeróbio.
Fonte: O AUTOR (2019), adaptado de LISOWYJ e WRIGHT (2009).
Como já previamente discutido, a proporção de cada gás é um produto multifatorial. Portanto, para Metcalf e Eddy (2016), as Equações 1 a 6 demonstram certa importância, já que têm o intuito de correlacionar as concentrações de carga orgânica do esgoto degradado anaerobiamente em razão do volume produzido de cada composto dessa mistura gasosa, para melhor estimativa da qualidade e do potencial energético do biogás, estabelecendo uma relação molar estequiométrica que visa a descrever a conversão do carbono da matéria orgânica em CH4 e CO2, do nitrogênio em NH3 e do enxofre em H2S,
como verificado primeiramente por Buswell e Mueller (1952), apud Metcalf e Eddy (2016) – que contabilizaram, originalmente, apenas o carbono, hidrogênio e oxigênio presentes com o volume de metano e dióxido de carbono produzidos anaerobiamente – e, posteriormente, Parkin e Owen (1986) e Tchonobanoglous et al. (2003), apud Metcalf e Eddy (2016), complementaram essa reação ao incluírem o nitrogênio e o enxofre presentes na matéria orgânica para contabilização dos volumes de amônia e gás sulfídrico produzido.
De acordo com Chernicharo (2016), existem duas formas de se quantificar a geração de metano em um reator UASB: a partir da composição química do despejo ou a partir da DQO degradada ou removida. Esta, por sua vez, corresponde a uma parcela da DQO total (ou aplicada) que entra no sistema, sendo a outra parcela correspondente à DQO não degradada (ou não removida) e que, portanto, permanece no reator ou é perdida no efluente. Logo, partindo do princípio de que um mol de metano reage com dois mols de oxigênio para que ocorra sua completa oxidação a gás carbônico e água ( ), é necessária haver a degradação de 64g de DQO para que sejam formados 16g de CH4, ou
e Pressão (CNTP), há a formação de 350 mL de metano para cada grama de DQO degradada. O Quadro 2 resume as equações essenciais para o cômputo teórico da geração de metano no tratamento anaeróbio de esgoto.
Quadro 2 – Estimativa de produção de metano e potencial elétrico do biogás.
Processo Equação Observações
Degradação de
DQO 𝑫𝑸 𝒓𝒆𝒎𝒐𝒗= 𝑸 × (𝑺𝟎− 𝑺)
DQOremov = carga de DQO removida
no reator (kgDQO.dia-1) Q = vazão afluente (m³.dia-1) S0 = concentração de DQO afluente
ao sistema (kgDQO.m-³)
S = concentração de DQO efluente ao sistema (kgDQO.m-³)
Produção de
metano 𝑸 =
𝑫𝑸
𝑲(𝑻)
QCH4 = vazão de metano produzido
(m³.dia-1)
DQOCH4 = carga de DQO removida
no reator e convertida em metano (kgDQO.dia-1)
K(T) = fator de correção para a temperatura operacional do reator
Determinação do
fator de correção 𝑲(𝑻) =
𝑷 × 𝑲 𝑹 × ( 𝟕 , 𝟏𝟓 𝑻)
P = pressão atmosférica (1 atm) K = concentração de oxigênio dissolvido (COD) para remoção de um mol de CH4 (64 gDQO.mol-1)
R = constante dos gases (0,08206 atm.L.mol-1.K-1)
T = temperatura operacional do reator (ºC)
Total de DQO removida
𝑫𝑸 𝒓𝒆𝒎𝒐𝒗= 𝑫𝑸 𝑫𝑸 𝒍𝒐𝒅𝒐
Entende-se que a DQO removida corresponde ao somatório da DQO transformada em metano e DQO convertida em biomassa
DQO convertida em biomassa
𝑫𝑸 𝒍𝒐𝒅𝒐= 𝒀𝒐𝒃𝒔× 𝑫𝑸 𝒂𝒑𝒍
Yobs = coeficiente observado de
produção de sólidos no sistema, variando, no Brasil, entre 0,11 a 0,23 kgDQOlodo.kgDQOapl-1
DQOapl = carga de DQO total
aplicada ao sistema (kgDQO.dia-1)
Vazão estimada
de biogás 𝑸𝒃𝒊𝒐𝒈á𝒔 =
𝑸 %
Qbiogás = vazão estimada de produção
de biogás (m³.dia-1)
%CH4 = teor de metano presente no
biogás produzido no reator
Fonte: CHERNICHARO (2016).
Embora, na teoria, existam equações que descrevam a composição final do biogás baseadas no teor da matéria orgânica presente no efluente a ser tratado anaerobiamente; na prática, a realidade é diferente. Para que seja possível estimar a produção de CH4 e, portanto,
o potencial de recuperação energética, faz-se necessário conhecer as diversas rotas pelas quais pode ocorrer a conversão da matéria orgânica (DQO) em metano, como apresentado na
Figura 4. Dessas rotas de oxidação da DQO, Souza et al. (2011) e Lobato et al. (2012)
enfatizaram as três mais importantes, sugerindo onde haveria as principais perdas de metano e, consequentemente, os maiores desperdícios do potencial energético do biogás. São elas:
a. A utilização da DQO na redução de sulfato (menor perda das três rotas, devido às geralmente baixas concentrações de SO42-);
b. A conversão da DQO em CH4 que permanece dissolvido no meio líquido e, portanto, perdido no efluente final (de 36 a 41% das perdas, dependendo do tempo de detenção hidráulica no reator);
c. A perda de CH4 na superfície livre da zona de sedimentação do reator UASB como gás residual (cerca de 4% das perdas).
Há também uma fração orgânica da DQO que dificilmente conseguirá ser processada pelos microrganismos responsáveis pela digestão anaeróbia e, consequentemente, não será transformada em biogás, não configurando potencial energético ao substrato. A essa parcela, dá-se o nome de DQO recalcitrante, pois ela é composta por substâncias de baixa biodegradabilidade, como lignina, celulose, hemi-celulose, entre outras substâncias que persistem resistentes no interior dos reatores anaeróbios (BRASIL, 2016b).
Figura 4 – Rotas de conversão de DQO e fluxo do metano em reatores UASB.
Fonte: O AUTOR (2019), adaptado de LOBATO et al. (2012).
Mantendo o menor número de dados possível, a fim de facilitar a aplicação do modelo matemático desenvolvido para o balanço de massa a considerar todas as rotas de oxidação da DQO e fluxos de metano, Lobato et al. (2012) traçaram três cenários (pior, intermediário e melhor cenário) e os aplicou em uma ETE em escala piloto, uma ETE em escala de bancada e em duas estações em escala real, cujos resultados podem ser observados na Tabela 5, com ênfase para ambas as linhas referentes à média de produção de biogás e ao valor médio do potencial de recuperação energética. Essa mesma metodologia foi empregada no trabalho de Lobato (2011), em que a pior situação consistia em valores de potencial energético menores, ou seja, em que havia maior diluição do efluente, maiores concentrações de sulfato, menor eficiência de remoção de DQO e maiores índices de perda de CH4; por
outro lado, a melhor situação incluía ETEs com potencial energético mais elevado, consequência de sistemas operando com esgoto mais concentrado, menores concentrações de sulfato, maior eficiência de remoção de DQO e menores índices de perda de metano. Por fim, a situação típica referia-se àqueles cenários com tais valores de parâmetros intermediários.
Além disso, a Figura 5 ilustra o balanço de massa quanto à conversão da DQO no processo de digestão anaeróbia, no pior cenário estipulado (menor potencial energético, efluente mais diluído, alta concentração de sulfato dissolvido, baixa eficiência de remoção de DQO pelo reator UASB e altas taxas de perdas de metano).
