MATHEUS DE OLIVEIRA PESSOA
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
AVALIAÇÃO DA PRODUÇÃO DE BIOGÁS A
PARTIR DE EFLUENTES E LIXIVIADOS
Matheus de Oliveira Pessoa
José Fernando Thomé Jucá
Maurício Alves da Motta Sobrinho
Recife/PE
Julho/2013
P
P
E
C
PPEQ - Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil
Cidade Universitária Recife – PE Tel: (081) 2126 8977
MATHEUS DE OLIVEIRA PESSOA
AVALIAÇÃO DA PRODUÇÃO DE BIOGÁS A PARTIR DE
EFLUENTES E LIXIVIADOS
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Pernambuco, como requisito à obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil.
Área de concentração: Geotecnia Linha de pesquisa: Geotecnia Ambiental
Orientadores: Prof. Dr. José Fernando Thomé Jucá
Universidade Federal de Pernambuco
Prof. Dr. Maurício Alves da Motta Sobrinho Universidade Federal de Pernambuco
Catalogação na fonte
Bibliotecária: Rosineide Mesquita Gonçalves Luz / CRB4-1361 (BCTG)
P475a Pessoa, Matheus de Oliveira.
Avaliação da produção de biogás a partir de efluentes lixiviados / Matheus de Oliveira Pessoa. – Recife: O Autor, 2013.
83f., il., figs., gráfs., tabs.
Orientadores: Prof. Dr. José Fernando Thomé Jucá.
Prof. Dr. Maurício Alves da Motta Sobrinho. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Pernambuco.
CTG. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, 2013. Inclui Referências e Apêndice.
1. Engenharia Civil. 2. Biogás. 3. Digestão anaeróbia. 4. Atividade Metanogênica. 5. BMP. I. Jucá, José Fernando Thomé; Motta Sobrinho, Maurício Alves da ( Orientadores ). II. Título.
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
A comissão examinadora da Defesa de Dissertação de Mestrado
ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE BIOGÁS A PARTIR DE EFLUENTES E LIXIVIADOS
defendida por Matheus de Oliveira Pessoa Considera o candidato __________
Recife, 30 de julho de 2013 Orientadores:
___________________________________________ Prof. Dr. Jose Fernando Thomé Jucá – UFPE
(orientador)
___________________________________________ Prof. Dr. Maurício Alves da Motta Sobrinho – UFPE
(co-orientador) Banca Examinadora:
___________________________________________ Prof. Dr. Jose Fernando Thomé Jucá – UFPE
(orientador)
___________________________________________ Prof. Dr. Francisco Suetônio Bastos Mota – UFC
(examinador externo)
__________________________________________ Prof.ª Dr.ª Maria Odete Holanda Mariano – UFPE
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a DEUS por ter me dado condições de concluir esse trabalho, pelas oportunidades e pela benção.
Aos meus pais, Mario e Jaqueline, que sempre me apoiaram e se esforçaram para me proporcionar as melhores condições que um estudante precisa para desenvolver suas atividades, a minha irmã pelo seu carinho e sua capacidade de me fazer feliz.
Aos meus professores, Maurício Motta, Fernando Jucá, Rosângela Tavares, Valmir Marques, que sempre me ajudaram em todas as dúvidas e dificuldades que o estudo possa desenvolver.
A todas as pessoas que me ajudaram nas análises e ensaios relativas ao estudo, Natali Monterio, Sávio Holanda, Laís Lopes, Derovil Santos e todos que me ajudaram de uma forma direta ou indireta.
A todos os amigos que me ajudaram nas coletas, Felix Fisher, Tobias laufenberg, Sara Laubsher, Augusto Carvalho, Danilo Prestes, Leandro Godim, NIklas Matti e ao meu pai que me ajudou muito também,Mario Pessoa.
A COMPESA (Companhia Pernambucana de Saneamento) pela liberação das pesquisas nas estações de tratamento de esgoto e todo material complementar para a pesquisa.
A Eduardo, funcionário da Compesa, que sempre me ajudou nas coletas de lodo, a Edmilson e Toni também.
Ao Programa de Pós-Graduação em Eng. Civil pela oportunidade.
A Andrea e Claudiana por toda a documentação e declarações que precisei. A todas as pessoas do laboratório GRS (Grupo de Resíduos Sólidos), do DEQ (Departamento de Engenharia Química), LEAQ (Laboratório de Engenharia Ambiental e da Qualidade) especialmente a Ana Maria que sempre me ajudou nos ensaios e com sugestões.
Ao pessoal do DEQ, Manoel que sempre me ajudou na montagem e configuração dos ensaios, a Romário e Fernando pela ajuda no preparo das soluções.
Ao Prof. Schuler, pelas sugestões de como conduzir a parte de gases do trabalho.
Ao Prof. Maurício Motta, por tudo.
Para tudo na vida precisamos da ajuda, sugestão, apoio e críticas para que os planos sigam em frente de uma forma coerente, graças a DEUS tive a sorte de trabalhar com pessoas que sempre me ajudaram e como moeda de troco, me disponho a ajudar todos aqueles que precisam para continuar o ciclo que mantém a humanidade viva!
Agradeço a todos que me ajudaram, com certeza tudo de bom que fizemos irá servir de exemplo para todos aqueles que ainda seguiram nessa caminhada.
“Muda,quando a gente muda o mundo muda com a gente, a gente muda o mundo na mudança da mente.”
"Aos meus pais, professores e amigos, com muito orgulho e gratidão!"
RESUMO
Diante da crise energética mundial, o Brasil vem tentando seguir os passos de países como Alemanha, Holanda e Noruega, investindo em tecnologias que busquem minimizar os efeitos deletérios ao meio ambiente. Nesse sentido, várias pesquisas vêm se destacando no âmbito do aproveitamento do biogás, produto do tratamento de esgoto que faz uso da tecnologia anaeróbia, que tem como produto final o gás metano, 21 vezes mais poluente que o clássico monóxido de carbono. Desta forma, este trabalho teve por objetivo geral estudar e avaliar a produção de biogás a partir de efluentes domésticos, urbanos e lixiviados. Para tanto utilizou o efluente e biomassa das Estações de Tratamento de Esgoto Domético (ETE) Mangueira e Cabanga, da Estação de Tratamento de Esgoto Industrial Brasil Kirin e da Estação de Tratamento de Lixiviado Muribeca. A pesquisa foi desenvolvida em 4 fases distintas, todas objetivando avaliar a produção de biogás, usando substratos e biomassas diferentes. Na fase1realizou um Pré-Tratamento com Peróxido de Hidrogênio, utilizando o substrato – Esgoto bruto da ETE Mangueira e a biomassa – Lodo da mesma ETE. Na fase 2 foi monitorada a produção de biogás em um Reator UASB em escala Piloto, utilizando os mesmos substrato e biomassa da fase anterior. Na fase 3 foi avaliada a produção de biogás através dos Ensaios de Atividade Metanogênica Específica (AME), utilizando como substrato os Esgotos brutos da ETE Mangueira, da ETE Cabanga, da ETEI Brasil Kirin e da ETL da Muribeca, e biomassa os Lodos da ETE Mangueira e da ETEI Brasil Kirin. E por ultimo a fase 4, avaliação da produção de biogás através dos ensaios BMP - Biochemical Methane Production, com os mesmos substratos e biomassa da fase 3. Os resultados mostraram que os modelos existentes na literatura não expressam de forma coerente a produção de biogás. Foi constatado que a DBO5 é um parâmetro de extrema importância para esta
previsão e que os ensaios AME e BMP são ferramentas mais precisas na determinação do biogás gerado a partir de efluentes.
ABSTRACT
Faced with the global energy crisis, Brazil has been trying to follow the footsteps of countries like Germany, Netherlands and Norway, investing in technology that attempts to minimize the harm effects to the environment. According to this, several studies have been highlighted in the use of biogas, product of sewage treatment that use anaerobic technology, which has the methane as final product, which is 21 times more polluting than the carbon monoxide. Thus, this study aimed investigating and evaluating the production of biogas from domestic and beer sewage and leachate. To do such things, both the effluent and biomass from Waste Water Treatment Plant (WWTP) Mangueira and Cabanga was used, also from the Brazil Kirin Industrial waste water and Muribeca Leachate Treatment Plant (LTP). The research was developed in four distinct phases, all in order to evaluate biogas production using different substrates and biomass. In phase 1, a Pre-Treatment with hydrogen peroxide was performed, using the substrate – biomass and input of WWTP Mangueira - ; In phase 2, was monitored biogas production in a UASB reactor at pilot scale, using the same substrate and biomass of the previous stage. In phase 3, the production of biogas through the Specific Methanogenic Activity (SMA) trial was evaluated, using as substrate the input of Mangueira WWTP, Cabanga WWTP, the Brazil Kirin Industrial WWTP and Muribeca (LTP), and as biomass, the sludge from the Mangueira WWTP and Brazil Kirin Industrial WWTP. In phase 4, the biogas production through BMP tests - Biochemical Methane Production, with the same substrates and biomass of phase 3 was evaluated. The results showed that the currents models of literature do not express the real biogas production. The BOD5 it is a parameter
of extreme importance to this prediction and the SMA and BMP trials are very precisions tools in biogas determination from waste water.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO 16 1.1 OBJETIVOS 1.1.1 OBJETIVOS GERAIS 1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 17 17 17 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 17 2.1. ESGOTO DOMÉSTICO 172.2. CARACTERIZAÇÃO DA QUALIDADE DOS ESGOTOS DOMÉTICOS 19 2.3 PROCESSO DE TRATAMENTO DE EFLUENTES LÍQUIDOS URBANOS 2.3.1 TRATAMENTO DE ESGOTO DOMÉSTICO
20 21
2.4 FUNDAMENTOS DA DIGESTÃO ANAERÓBIA 27
2.5. POTENCIAL DE PRODUÇÃO DE METANO A PARTIR DE ESGOTO DOMÉSTICO E LIXIVIADO
33
2.4.1. Modelo de Zannete 34
2.4.2. Modelo de Nuvolari 35
2.6. APROVEITAMENTO DO BIOGÁS 36
2.6.1. Uso do Biogás como fonte de Hidrogênio 37 2.6.2. Uso do biogás para combustão direta com recuperação energética 39 2.6.3. Uso do biogás para combustão direta sem recuperação energética 2.6.4. Uso do biogás para geração combinada de eletricidade e calor
39 39 3. MATERIAIS E MÉTODOS 43 3.1. ESTAÇÕES DE TRATAMENTO 42 3.1.1. ETE Mangueira 42 3.1.2. ETE Cabanga 44
3.1.3. ETEI Brasil Kirin 44
3.1.4. ETL Muribeca 46
3.2 DESCRIÇÃO DAS FASES DO ESTUDO 47
3.3. ESTUDO DE PRÉ-TRATAMENTO COM PERÓXIDO DE HIDROGÊNIO 47
3.4. O REATOR UASB 49
3.5. AVALIAÇÃO DA PRODUÇÃO BIOGÁS ATRAVÉS DOS ENSAIOS DE ATIVIDADE METANOGÊNICA ESPECÍFICA
52 3.6. AVALIAÇÃO DA PRODUÇÃO BIOGÁS ATRAVÉS DOS ENSAIOS BMP 53
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 58 4.1. AVALIAÇÃO DE PRÉ-TRATAMENTO COM PERÓXIDO DE
HIDROGÊNIO
4.2. AVALIAÇÃO DA PRODUÇÃO DE BIOGÁS GERADO EM UMA UNIDADE PILOTO - REATOR UASB
58 59 4.3. RESULTADOS DO ESTUDO DA PRODUÇÃO BIOGÁS ATRAVÉS DOS
ENSAIOS AME 62
4.4. RESULTADOS DA AVALIAÇÃO DA PRODUÇÃO BIOGÁS ATRAVÉS
DOS ENSAIOS BMP 66
4.4.1 Ensaios BMP com Lodo da ETE Mangueira 66 4.4.2 Ensaios BMP com Lodo de Cervejaria 72
5. CONCLUSÕES 75
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
6.1 APÊNDICE A
78 85
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - A sequencia de processos na digestão anaeróbia de macro-moléculas complexas (os números referem-se a percentagens, expressas como DQO)
28
Figura 2.2 - Formação do metano a partir do acetato (à esquerda) e a partir do dióxido de carbono (à direita).
31 Figura 3.1 - Vista da ETE da Mangueira (Recife-PE) 43 Figura 3.2 – Esquema simplificado da ETEs da Cabanga (a) e foto (b) 44 Figura 3.3 - Vista da ETE da Brasil Kirin 45 Figura 3.4 - Vista da estação de tratamento de lixiviado do Aterro da
Muribeca.
46 Figura 3.5 – Vista da ETE Caçote 47 Figura 3.6 - Sistema para avaliar o efeito do pré-tratamento do efluente
com peróxido para maximizar a produção de biogás.
49 Figura 3.7 – Esquema do reator UASB utilizado nos experimentos piloto 51 Figura 3.8 – Foto do Reator UASB (escala piloto) operado em laboratório
Figura 3.9 – Esquema do Ensaoi de Atividade Metnogênica Específica Figura 3.10 - Foto da montagem experimental dos ensaios AME
52 54 54 Figura 4.1 – Evolução da DQO na entrada (●) e na saída (○) do reator
UASB ao longo do tempo 59 Figura 4.2 - Variação da eficiência de remoção da DQO do reator UASB
ao longo do tempo 60
Figura 4.3 - Evolução da DBO5 na entrada (●) e na saída (○) do reator
UASB ao longo do tempo 61
Figura 4.4 - Variação da eficiência de remoção da DQO do reator UASB ao
longo do tempo 61
Figura 4.5 - Resultados do ensaio de atividade metanogênica específica como
lodo da ETE Mangueira 63
Figura 4.6 - Valores da DQO dos efluentes antes e após os ensaios AME como lodo da ETE Mangueira
Figura 4.7 - Resultados do ensaio de atividade metanogênica específica como lodo da ETEI da cervejaria
Figura 4.8 - Valores da DQO dos efluentes antes e após os ensaios AME com lodo da ETEI da Cervejaria
Figura 4.9 - Efluentes utilizados no ensaio BMP com o Lodo da ETE Mangueira
64 65 66 67
Figura 4.10- Resultados do ensaio do ensaio BMP como lodo da ETE da Mangueira (headspace 50 mL)
Figura 4.11- Valores da DQO dos efluentes antes e após os ensaios BMP com lodo da ETE Mangueira (headspace 50 mL)
68 68
Figura 4.12 - Resultados do ensaio do ensaio BMP como lodo da ETE da Mangueira (headspace 150 mL)
Figura 4.13 - Valores da DQO dos efluentes antes e após os ensaios BMP com lodo da ETE Mangueira (headspace 150 mL)
Figura 4.14 - Efluentes utilizados no ensaio BMP com o lodo da cervejaria Figura 4.15 - Resultados do ensaio do ensaio BMP como lodo da ETEI da
cervejaria (headspace 150 mL)
Figura 4.16 - Valores da DQO dos efluentes antes e após os ensaios BMP com lodo da cervejaria (headspace 150 mL)
70 71 72 73 74
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1. Principais características físico-químicas dos esgotos domésticos. 20 Tabela 2.2. Características dos principais tipos de tratamento de esgotos. 21 Tabela 2.3 - Balanço Energético comparativo entre os sistemas aeróbios e
anaeróbios para tratamento de efluentes1 (Kj/dia)
25 Tabela 2.4 - Parâmetros utilizados para cálculo da produção de biogás 35 Tabela 3.1 - Especificação dos Reagentes e Soluções usadas no ensaio AME 53 Tabela 3.2 - Detalhamento dos ensaios com lodo da ETE Mangueira 56 Tabela 3.3 - Detalhamento dos ensaios com lodo da ETE Brasil Kirin
Tabela 4.1 - Composição dos gases obtidos no
experimento BMP com lodo da ETE Mangueira
Tabela 4.2 - Composição dos gases obtidos no experimento BMP com lodo da ETE mangueira
57 71 74
LISTA DE QUADROS
Quadro 2.1. Reações químicas de formação de metano (Etapa Metanogênica).
32 Quadro 3.1 - Especificação dos Reagentes e Soluções usadas no ensaio AME. 45
ABREVIATURAS
SÍMBOLO DESCRIÇÃO
UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket ETE Estação de Tratamento de Efluentes ETEI Estação de Tratamento de Efluentes
Industriais
DQO Demanda Química de Oxigênio
DBO5 Demanda Bioquímica de Oxigênio após 5
dias incubada a 20o C
SMEWW Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater
AME Atividade Metanogênica Específica AVG Ácidos Graxos Voláteis
BMP Biochemical Methane Production
POR Partial Oxidation Reforming
ATR Autothermal Reforming
SR Steam Reforming
MDL Mecanismo de Desenvolvimento Limpo IPCC Intergovermental Panel about Climate
Change
GEE Gases de Efeito Estufa POP População atendida
SÍMBOLOS
SÍMBOLO DESCRIÇÃO UNIDADE
YCH4/DQO Produção de metano por
massa de DQO removida
ƞDQO Eficiência de remoção da DQO
Kj quilo joule
1. INTRODUÇÃO
O desenvolvimento industrial, o avanço tecnológico e o crescimento populacional exigem um aporte cada vez maior de energia. No Brasil, onde a
hidroeletricidade corresponde a cerca de 80% da energia elétrica gerada, a variabilidade de precipitação, associadas a fenômenos climáticos como El Niño e La Niña, põem em cheque tal sistema. A solução emergencial tem sido a construção de termelétricas que funcionam à base de combustíveis fósseis.
Por outro lado, países como a Alemanha, Holanda e Noruega têm investido em fontes alternativas de energia, buscando minimizar os efeitos deletérios ao meio ambiente causados pela inserção na atmosfera de gases de efeito estufa. O Brasil também tem avançado neste sentido, com implantação de Parques Eólicos, incentivos para uso da Energia Solar e usos de biomassas.
Coelho et al. (2006), citam que "o aproveitamento do biogás, produto do tratamento de esgoto, para geração de energia ocasiona uma redução no potencial de poluição do meio ambiente, uma vez que é composto por acentuada concentração de gás metano (CH4), cerca de 21 vezes superior ao
dióxido de carbono (CO2), no que se refere ao efeito estufa".
No caso dos resíduos sólidos, sistemas de captação de biogás foram, e estão sendo, implantados em aterros sanitários, muitos deles financiados por vendas de créditos de carbono. Já para os efluentes, a literatura apresenta alguns trabalhos como os efluentes de suíno cultura (CAMPOS et al., 2005) da produção de café arábica (PRADO e CAMPOS, 2008) e da indústria de papel (BERNI e BAJAY, 2003). Como poderá ser visto na revisão bibliográfica, existem alguns modelos que permitem estimar a produção de biogás a partir de parâmetros de controle e de caracterização do esgoto.
Desta forma, este trabalho tem por objetivo geral estudar e avaliar a produção de biogás a partir de efluentes domésticos, urbanos e lixiviados e verificar a validade de alguns modelos apresentados na literatura.
1.1 OBJETIVOS
Determinar o comportamento da geração de biogás a partir de efluentes e lixiviados.
1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Realizar pré-tratamento com peróxido de hidrogênio (substrato –
Esgoto bruto da ETE Mangueira e a biomassa – Lodo da mesma ETE);
Produção de biogás em Reator UASB (substrato – Esgoto bruto da
ETE Mangueira e a biomassa – Lodo da mesma ETE);
Produção de biogás através dos Ensaios de Atividade Metanogênica Específica (AME) (substrato - Esgoto bruto da ETE Mangueira,
ETE Cabanga, ETEI Brasil Kirin e ETL da Muribeca, e biomassa - Lodos da ETE Mangueira e ETEI Brasil Kirin);
Produção de biogás através dos ensaios BMP - Biochemical
Methane Production, (substrato - Esgoto bruto da ETE Mangueira,
ETE Cabanga, ETEI Brasil Kirin e ETL da Muribeca, e biomassa - Lodos da ETE Mangueira e ETEI Brasil Kirin)
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 ESGOTO DOMÉSTICO
Os esgotos individuais ou coletivos de uma zona urbana devem ser enviados, por meio de rede coletora, para uma Estação de Tratamento de Esgotos (ETE). Esses são basicamente originados de três fontes distintas: esgotos domésticos, águas de infiltração e despejos industriais. No Brasil adota-se o sistema separador de esgotamento sanitário, no qual se separa as águas pluviais em linhas de drenagem independentes, que não chegam assim nas ETEs. E os despejos industriais são tratados separadamente na planta industrial, conforme especificado no licenciamento ambiental (MMA, 2009).
Para a caracterização, tanto quantitativa quanto qualitativa, dos esgotos afluentes a ETE, é necessária a análise cuidadosa do mesmo. O esgoto doméstico são aqueles oriundos dos domicílios, atividades comerciais e institucionais que compõem uma localidade. Normalmente a vazão doméstica de esgotos é calculada com base na vazão de água da respectiva localidade (VON SPERLING, 2007). Essa, por sua vez é, em geral, calculada com base na população atendida pelo projeto, no valor atribuído para o consumo médio diário de água de um indivíduo, Quota Per Capita, e no coeficiente de retorno (BRASIL, 2006).
É importante ressaltar que para se obter a vazão média dos esgotos, deve-se estar ciente que a produção de esgotos corresponde aproximadamente ao consumo de água. No entanto, a fração de esgotos que adentra a rede coletora pode variar, devido ao fato que parte da água consumida pode ser lançada na rede pluvial. Outros fatores de influência em um sistema separador absoluto são: (a) ocorrência de ligações clandestinas dos esgotos à rede pluvial e (b) infiltração. Tem sido prática corrente a adoção de coeficientes de variação da vazão média de água, conforme o dia ou hora de maior ou menor consumo de água (PEREIRA, 2010).
Quanto às variações horárias das vazões de esgoto, deve-se levar em consideração que as flutuações são amortecidas ao longo da rede coletora.
É fácil entender que quanto maior a rede (ou a população), menor será a chance das vazões de pico se sobreporem simultaneamente na entrada da estação. Assim, o tempo de residência na rede coletora tem uma grande influência no amortecimento dos picos de vazão (JORDÃO e PESSOA, 2011).
Tais conhecimentos são importantes haja vista que valores super ou sub-dimensionados afetam diretamente o desempenho técnico e econômico da estação em projeto.
2.2. CARACTERIZAÇÃO DA QUALIDADE DOS ESGOTOS
DOMÉSTICOS
As principais características físicas dos esgotos domésticos são temperatura, cor, odor e turbidez, enquanto as principais características químicas são sólidos totais, matéria orgânica, nitrogênio total, fósforo, pH e alcalinidade, as quais estão descritas na Tabela 2.1. (VON SPERLING, 2005).
Cada etapa do processo de tratamento remove uma parte dos contaminantes. A matéria orgânica, como está mostrado na Tabela 2.1, pode estar em suspensão ou dissolvida. No primeiro caso ela é removida por operações unitárias de separação, como a decantação e a floculação, que fazem parte do tratamento primário de efluentes. A poluição dissolvida é, via de regra, removida por processos biológicos (lodos ativados) ou físico-químicos (oxidação), constituintes do tratamento secundário (METCALF & EDDY, 2004). Quanto a sua biodegradabilidade, a matéria orgânica dissolvida não biodegradável passa através de um sistema de tratamento biológico sem sofrer reduções significativas, sendo necessário um tratamento físico-químico posterior (tratamento terciário) (SANT’ANNA JR., 2010)
Tabela 2.1. Principais características físico-químicas dos esgotos domésticos. Parâmetro Descrição SÓLIDOS TOTAIS Em suspensão -Fixos -Voláteis Dissolvidos -Fixos -Voláteis Sedimentáveis
Orgânicos e inorgânicos; suspensos e dissolvidos; sedimentáveis.
- Fração dos sólidos orgânicos e inorgânicos não filtráveis (não dissolvidos). - Componentes minerais, não incineráveis, inertes, dos sólidos em suspensão. - Componentes orgânicos dos sólidos em suspensão.
- Fração dos sólidos orgânicos e inorgânicos não filtráveis. - Componentes minerais dos sólidos dissolvidos.
- Componentes orgânicos dos sólidos dissolvidos.
- Fração dos sólidos orgânicos e inorgânicos que sedimenta em 1 hora no cone Imhoff. Indicação aproximada da sedimentação em tanques de decantação. MATÉRIA ORGÂNICA
DQO DBO5
Mistura de diversos compostos orgânicos: proteínas, carboidratos, lipídios, etc. - Demanda Química de Oxigênio. Representa a quantidade de oxigênio requerida para estabilizar quimicamente a matéria orgânica carbonácea. - Demanda Bioquímica de Oxigênio. Medida a 5 dias e 20ºC. Está associada à fração biodegradável dos componentes orgânicos carbonáceos. É uma medida do oxigênio consumido após 5 dias pelos microrganismos na estabilização bioquímica da matéria orgânica (Determinação Indireta).
NITROGÊNIO TOTAL
Nitrogênio orgânico Amônia
Nitrito Nitrato
Inclui o nitrogênio orgânico, amônia, nitrito e nitrato. É um nutriente indispensável para o desenvolvimento dos microrganismos no tratamento biológico. O nitrogênio orgânico e a amônia compreendem o Nitrogênio Kjeldahl (NTK).
- Nitrogênio na forma de proteínas, aminoácidos e uréia.
- Produzida como primeiro estágio da decomposição do nitrogênio orgânico. - Estágio intermediário da oxidação da amônia. Praticamente ausente no esgoto bruto.
- Produto final da oxidação amônia. Praticamente ausente no esgoto bruto. FÓSFORO
Fósforo orgânico Fósforo inorgânico
Existe na forma orgânica e inorgânica. Nutriente indispensável no tratamento biológico.
- Combinado à matéria orgânica. - Ortofosfato e polifosfatos.
pH Indicador das características ácidas e básicas do esgoto. Os processos de oxidação biológica normalmente tendem a reduzir o pH.
CAPACIDADE TAMPÃO Estimativa dos teores de N-NH4+ e ortofosfatos através da análise de curvas de
capacidade tampão versus o pH. Também outras espécies ácido-base podem ser caracterizadas pelo seu pKa.
Fonte: VON SPERLING, 2005.
2.3 PROCESSOS DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
LÍQUIDOS URBANOS
A remoção dos poluentes durante o tratamento, de forma a adequar o efluente a uma qualidade desejada ou ao padrão de qualidade vigente está associada aos conceitos de tipo de tratamento e eficiência do tratamento.
O tratamento dos esgotos é normalmente classificado em: preliminar, primário, secundário e terciário. Na Tabela 2.2, encontra-se um resumo das características de cada tratamento, como nível de remoção de poluentes, eficiência de remoção, mecanismo de tratamento e padrão de lançamento.
Tabela 2.2. Características dos principais tipos de tratamento de esgotos. Tipo de Tratamento
Preliminar Primário Secundário Terciário
POLUENTES REMOVIDOS -Sólidos grosseiros -Sólidos em suspensão sedimentáveis -DBO em suspensão -DBO em suspensão -DBO solúvel -Sólidos em suspensão remanescentes -Sólidos inorgânicos dissolvidos -Metais pesados -Compostos não-biodegradáveis -Patogênicos -Nutrientes EFICIÊNCIA DE REMOÇÃO - -SS: 60-70% -DBO: 30-40% -Coliformes: 30-40% -DBO: 60-99% -Coliformes: 60-90% -Nutrientes: 10-50% - MECANISMO DE TRATAMENTO
Físico Físico Biológico Químico
CUMPRE PADRÃO DE LANÇAMENTO
Não Não Usualmente Sim Sim
Fonte: VON SPERLING, 2005.
2.3.1. Tratamento de Esgoto Doméstico
Do ponto de vista de fontes de geração, o esgoto pode ser doméstico, oriundo de residências, instituições e estabelecimentos comerciais, ou industriais, o qual apresenta características próprias para cada área fabril. O objetivo do tratamento é acelerar o processo de autodepuração da matéria orgânica que acontece na natureza, sob condições controladas em instalações de tratamento. Desta forma, o tratamento de esgotos visa à remoção de material suspenso, coloidal, dissolvido e a eliminação de organismos patogênicos (METCALF & EDDY, 2004).
Sistemas Físico-Químicos e Biológicos
Os sistemas físico-químicos consistem na remoção de poluentes inorgânicos, matérias insolúveis, metais pesados, matérias orgânicas não biodegradáveis, sólidos em suspensão, óleos e graxas, cor e sólidos
dissolvidos não removidos por via biológica. São geralmente utilizados em indústrias de tratamento de superfície, dentre outras, associados ao tratamento biológico. As operações unitárias e processos do tratamento físico-químico são: peneiramento, correção de pH, desarenação, floculação, medição de vazão, decantação, retenção de gordura, equalização entre outros (VON SPERLING,2007).
Segundo Malta (2001), os sistemas biológicos são utilizados para coagular e remover os sólidos coloidais não sedimentáveis e estabilizar a matéria orgânica.
No caso dos efluentes industriais muitas vezes se realiza um pré-condicionamento para equalização do efluente antes do tratamento biológico, a fim de evitar choques ao sistema, realizando a correção de pH e teor de nutrientes quando necessário (JORDÃO & PESSOA, 2011).
Tipos de Sistemas Biológicos
Sistema Anaeróbio
No processo de conversão da matéria orgânica em condições de ausência de oxigênio, são utilizados aceptores de elétrons inorgânicos como NO3 (redução de nitrato), SO2 (redução de sulfato), ou CO2 (formação de
metano). A formação de metano não ocorre em ambientes onde o oxigênio, o nitrato ou o sulfato encontram-se prontamente disponíveis como aceptores de elétrons. A produção de metano ocorre em diferentes ambientes naturais tais como pântanos, solo, sedimentos de rios, lagos e mares, assim como nos órgãos digestivos de animais ruminantes. Estima-se que a digestão anaeróbia com formação de metano seja responsável pela completa mineralização de 5 a 10% de toda a matéria orgânica disponível na terra (CHERNICHARO, 2007).
A digestão anaeróbia de compostos orgânicos é normalmente considerada um processo de dois estágios. No primeiro estágio, um grupo de bactérias facultativas e anaeróbias, denominadas formadoras de ácidos ou fermentativas (bactérias acidogênicas), convertem os orgânicos complexos em
outros compostos. Compostos orgânicos complexos como carboidratos, proteínas e lipídios são hidrolisados, fermentados e biologicamente convertidos em materiais orgânicos mais simples, principalmente ácidos voláteis (CHERNICHARO, 2007).
No segundo estágio ocorre a conversão dos ácidos orgânicos, gás carbônico e hidrogênio em produtos finais gasosos, o metano e o gás carbônico. Esta conversão é efetuada por um grupo especial de bactérias, denominadas formadoras de metano (metanogênicas), as quais são estritamente anaeróbias. As bactérias metanogênicas dependem do substrato fornecido pelas acidogênicas, configurando, portanto, uma interação comensal. Uma vez que as bactérias metanogênicas são responsáveis pela maior parte da degradação do resíduo, a sua baixa taxa de crescimento e de utilização dos ácidos orgânicos normalmente representa o fator limitante no processo de digestão como um todo (VON SPERLING, 2007).
Ainda segundo Jordão e Pessoa (2011), o mecanismo de retenção do lodo é tão importante que é usado para distinguir diferentes sistemas anaeróbios. Basicamente aplicam-se dois mecanismos de retenção de lodo:
1) Sistemas baseados na mobilização do lodo, isto é, o lodo se fixa na superfície de um material sólido e inerte. Nesta categoria se encontram o filtro anaeróbio de fluxo ascendente ou descendente e reatores com leito granular de lodo.
2) Sistema que se baseiam na separação das fases liquida e sólida, com retorno de lodo para o reator. Um exemplo é o reator UASB, que é um digestor anaeróbio de fluxo ascendente e manta de lodo.
Na seção 2.3 este processo de tratamento será mais detalhado, uma vez que é através dele que o biogás será gerado.
Sistema Aeróbio
A digestão aeróbia é um método alternativo de tratar os lodos orgânicos produzidos nas várias operações de tratamento. Hoje, duas
variações do processo de digestão aeróbia são de uso comum: convencional e com oxigênio puro. A digestão aeróbia termofílica tem também sido usada.
Na digestão aeróbia convencional, o lodo é aerado por um período de tempo num tanque aberto, sem aquecimento, usando difusores de ar convencionais ou equipamentos de aeração superficial. O processo pode ser operado de modo contínuo ou em batelada. Plantas menores usam sistema batelada no qual o lodo é aerado e completamente misturado por um período de tempo estendido, seguido pela sedimentação. Nos sistemas contínuos, um tanque separado é usado para a decantação e concentração (COSSICH, 2006).
A digestão aeróbia com oxigênio de alta pureza é uma modificação do processo de digestão aeróbia no qual oxigênio de alta pureza é usado no lugar do ar.
O lodo resultante é similar ao lodo digerido aerobicamente do modo convencional. A digestão aeróbia termofílica representa ainda outro refinamento do processo de digestão aeróbia. Conduzido com bactérias termofílica em temperaturas que variam de 25 a 50°C acima da temperatura ambiente, este processo pode alcançar altas remoções da fração biodegradável (acima de 80%) em tempos de retenção muito curtos (COSSICH, 2006).
Os processos de tratamento aeróbios com crescimento imobilizado são normalmente usados para remover matéria orgânica de efluentes líquidos. Eles são também usados para se conseguir a nitrificação (conversão de amônia em nitrato).
Os processos com crescimento imobilizado incluem os filtros de percolação, os contactores biológicos rotatórios e os reatores de nitrificação com filme fixo (COSSICH, 2006).
Comparação entre sistemas aeróbio e anaeróbio
Os efluentes domésticos podem ser tratados por processos aeróbios e/ou anaeróbios, dependendo da concentração de oxigênio dissolvido. Todavia,
os processos aeróbios são mais utilizados levando em consideração sua alta porcentagem de degradação da matéria orgânica, porém, devida as suas vantagens, o tratamento anaeróbio possui uma crescente aplicação. Como principais vantagens podem ser citadas: o menor custo de energia, a produção de metano (fonte de energia), menor produção de lodo biológico e a necessidade de um menor número de reatores (METCALF e EDDY, 2004). A Tabela 2.3 apresenta um balanço energético comparativo entre os processos aeróbio e anaeróbio, mostrando que este último apresenta uma produção de energia cerca de quatro vezes maior que o consumo de energia pelo sistema aeróbio.
Tabela 2.3 - Balanço Energético comparativo entre os sistemas aeróbios e
anaeróbios para tratamento de efluentes1 (Kj/dia):
Balanço energético do processo Aeróbio Anaeróbio Aeração2 -1,9.106 - Produção de metano3 - 12,5.106 Aquecimento do efluente a 30°C - -4,2.106 Balanço final -1,9.106 8,3.106 1
Características dos efluentes: vazão de 100 m3/d, concentração de matéria orgânica de 10 kg/m3 e temperatura de 20°C.
2
Eficiência de aeração: 1,52 kg O2/kWh. 3
Produção de metano: 0,35 m3/kg DQO removida. Fonte: Zannete(2009).
É importante salientar que a escolha de um sistema de tratamento não exclui a outra. Os sistemas podem ser projetados para operar em conjunto. Geralmente o processo anaeróbio constitui o pré-tratamento, seguido do aeróbio.
Ao se focar na conservação e recuperação de energia, a digestão anaeróbia é a principal escolha para o processo de tratamento de efluentes e de estabilização de lodo, uma vez que tal sistema pode produzir biogás, permitindo sua aplicação sob diversas formas, como será vista na seção 2.5 (METCALF e EDDY, 2004).
Por isso, conclui-se que o biogás poderá ser produzido a partir da carga orgânica presente no efluente como também na degradação anaeróbia do lodo produzido.
Tratamento de Esgoto Doméstico no Brasil
O tratamento de esgoto doméstico no Brasil não possui uma infraestrutura que permita atingir toda a população. De acordo com os dados do Sistema Nacional de Informações sobre Saneamento (SNIS) para o ano de 2011, estima-se que 69% do total de esgoto produzido seja coletado e que apenas 49,5% deste percentual receba algum tipo de tratamento. A região nordeste encontra-se na 4° posição em coleta de esgoto, coletando 33,4% e tratando 47,4% do percentual coletado. A região brasileira que ocupa o primeiro lugar em termos de coleta é a sudeste, coletando 87,5%, e o centro-oeste fica com o primeiro em termos de tratamento, com 84,3% do percentual coletado (MINISTÉRIO DAS CIDADES, 2013).
Classicamente, o tratamento de esgoto é composto pelas seguintes fases: tratamento preliminar (remoção de grandes sólidos e areia), tratamento primário (sólidos em suspensão não grosseiros, cuja remoção poderá ser feita através da sedimentação e remoção dos óleos e graxas), tratamento secundário (tratamento da poluição dissolvida) e tratamento terciário (que objetiva a dos não biodegradáveis, assim como dos nutrientes e eliminação dos microrganismos patógenos).
Apenas 21% dos municípios que possuem tratamento de esgoto, utilizam reatores anaeróbios (IBGE,2001). O estado que possui o maior número de reatores anaeróbios é o Paraná, com 37,3% do total de distritos que possuem esse tratamento. A implantação de mais unidades de tratamento de esgoto com tecnologia anaeróbia pode aumentar o potencial de geração de energia a partir de biogás no Brasil. O importante seria investir em obras de saneamento básico para ampliação da coleta de esgoto e consequentemente o tratamento deste efluente.
Segundo Zannete (2009), a estimativa da produção de biogás, levando em consideração a população urbana do Brasil em torno de 152 milhões de pessoas (IBGE, 2009), considerando o tratamento anaeróbio como processo principal pode atingir 7,3 milhões de m3/dia. Considerando o processo anaeróbio como processo secundário (digestão anaeróbia do lodo) poderia
atingir 3,7 milhões de m3/dia. Porém, se considerar-se que o nível de atendimento de coleta de esgoto em todas as regiões do Brasil atingia 31% (MINISTÉRIO DAS CIDADES, 2008) a produção de metano decairia para 2,3 e 1,1 milhão de m3/dia, podendo variar com a tecnologia utilizada.
2.4 FUNDAMENTOS DA DIGESTÃO ANAERÓBIA
A Digestão anaeróbia é composta por várias reações sequenciais, sendo assim um processo bioquímico complexo, no qual cada reação abrange uma população bacteriana específica. De forma esquemática, a Figura 2.1 mostra essas várias etapas, sugerida por vários, autores (KASPAR & WUHRMANN,1978; GUJER & ZEHNDER, 1983; ZINDER & KOCH, 1984).
Figura 2.1 - A sequencia de processos na digestão anaeróbia de
macro-moléculas complexas (os números referem-se a percentagens, expressas como DQO)
O processo geral de conversão da matéria orgânica através da digestão anaeróbia, dividi-se em até quatro etapas distintas: hidrólise, acidogênese, acetogênese e metanogêneses (CAMPOS et al., 2005)
Hidrólise
Nesta primeira parte do processo, a matéria orgânica em forma de partículas é convertida em compostos dissolvidos de menor peso molecular. As exo-enzimas,que são excretadas pelas bactérias fermentativas, desenvolvem papel fundamental neste processo. As proteínas são degradadas por meio de (poli) peptídeos para formar aminoácidos. Os açúcares solúveis (mono e dissacarídeos) são formado pelos carboidratos e os lipídeos são convertidos em ácidos graxos de longa cadeia de carbono (C15 C17) e glicerina. Em muitos
casos, na prática, a velocidade de hidrólise pode ser a etapa limitativa para todo o processo da digestão anaeróbia, isto é, a velocidade de conversão do material orgânico complexo para o biogás é limitada pela velocidade da hidrólise.
Acidogênese
Após a fase hidrolítica, os monômeros utilizados por diferentes grupos de bactérias (obrigatórias e facultativas) são degradados nesta fase em ácidos orgânicos de cadeia curta, moléculas de 1 a 5 carbonos, alcoóis, ácido lático e compostos minerais como NH3,CO2 , H2 e H2S e etc. As bactérias
facultativas podem processar o material orgânico por via oxidativa, o que é de extrema importância para a área de tratamento anaeróbio de esgotos, uma vez que oxigênio dissolvido pode se tornar uma substância tóxica para bactérias metanogênicas.
Clostridium, Bacteroides, Ruminococcus,Butyribacterium,Propioniba- cterium, Eubacterium e Escherichia são bactérias fermentativas, citadas por
Acetogênese
A acetogênese pode ser entendida como a conversão dos produtos resultantes da acidogênese em compostos que formam os substratos para produção de metano: dióxido de carbono, acetato e hidrogênio. Conforme indicado na Figura 2.1, estima-se que 70% da DQO digerida é convertida em ácido acético, enquanto o restante da DQO é concentrado no hidrogênio formado.
Além de ser produzido pela fermentação de compostos orgânicos, o acetato poderá ser produzido pela acetogênese. As bactérias, deste processo, produtoras de hidrogênio podem metabolizar substâncias com três ou mais carbonos em sua cadeia (propianato, butirato e etc.) etanol e alguns compostos aromáticos em acetatos, H2 e CO2 (KHANAL, 2008).
Metanogênese
Operando em condições estritamente anaeróbias, nesta fase ocorre a formação do metano, sendo essa reação exergônica. O metano pode ser formado a partir de outros compostos orgânicos diferentes do acetato, mas em sua maioria é formado a partir do acetato, do dióxido de carbono e do gás hidrogênio. Deublein e Steinhauser (2008) dividem os substratos aplicados a metanogênese em três grupos:
Tipo CO2: CO2, HCOO-, CO
Tipo metil: CH3OH, CH3NH3, (CH3)2NH2+, (CH3)3NH+
Tipo acetato: CH3COO
-Todos os produtos da fase fermentativa são convertidos em compostos utilizáveis direta ou indiretamente pelas bactérias formadoras de metano. Os produtos que não foram degradados por estas bactérias acumulam-se na suspensão biológica do digestor, incrementando significamente a DQO do efluente do digestor (GERARDI, 2003).
As bactérias produtoras de metano a partir do hidrogênio crescem mais rapidamente que aquelas que usam ácido acético, de modo que as
metanogênicas acetotróficas limitam a velocidade de transformação de material orgânico complexo (CAMPOS et al.,1999).
A Figura 2.2 apresenta a rota de formação do metano a partir do acetato e do CO2.
Figura 2.2 - Formação do metano a partir do acetato (à esquerda) e a partir do
dióxido de carbono (à direita). *Fae: enzima de ativação do formaldeído (formaldehyde activating enzyme); Ftr: formiltransferase; CoA: coenzima A; CoM: Coenzima M.
Fonte: Adaptado de Deublein e Steinhauser (2008).
A metanogênese tem como principal característica a respiração anaeróbia efetuada pelos microrganismos metanogênicos do grupo Archaea, onde o gás carbônico, ou o grupo metil de compostos C-1, ou o carbono do grupo metil do acetato, é o aceptor final de elétrons.As Archaea metanogênicas removem o excesso de hidrogênios produzidos nas fases anteriores, proporcionando o abaixamento da pressão parcial desse gás no meio, tornando possíveis as reações da etapa acetogênica (CHERNICHARO, 1997).
As Archae metanogênicas se dividem em dois grupos principais: as metanogênicas acetoclásticas formadoras de metano (Methanosarcina barkeri,
Methanobacterium söhngenii e Methanobacterium thermoautotrophicum) a
produtoras de metano a partir do hidrogênio e dióxido de carbono (gêneros
Methanobacterium,Methanospirillum e Methanobrevibacter). Estima-se que
70% do metano gerado resulta da oxidação do ácido acético. Esta pode ocorrer de maneira mais espontânea se comparada com a redução do CO2 + H2 na
metanogênse hidrogenotrófica, de acordo com as Equações 01 e 02 (LEITE, 2011).
(Eq. 01) (Eq. 02) Para Demirel e Scherer (2008) o formato, ainda que em baixas concentrações no ambiente metanogênico, também é utilizado pelos organismos metanogênicos hidrogenotróficos para doar elétrons e reduzir o CO2 a CH4. O quadro 2.1 exibe as reações metanogênicas típicas nos processos biológicos anaeróbios (HYNOWETH,1996 apud DEMIREL & SCHERER, 2008).
Quadro 2.1 – Reações químicas de formação de metano (Etapa Metanogênica)
Além dos processos fermentativos que levam à produção de biogás, podem se desenvolver outros processos no reator anaeróbio. Neste não se encontra oxigênio dissolvido, mas pode haver presença de oxidantes alternativos, que permitem o desenvolvimento de bactérias que usam o catabolismo oxidativo. Estes oxidantes são o nitrato e sulfato. O Nitrato pode ser usado como oxidante, sendo reduzido para nitrogênio molecular em processo denominado desnitrificação, e o sulfato pode ser reduzido a sulfeto. O ultimo processo é o mais importante na pratica, pois o teor de nitrato normalmente encontrado nos esgotos sanitários é baixo, mas os sulfatos podem estar presentes em concentrações elevadas, quer por sua presença natural na água, quer devido a processos industriais que usam forma de sulfato (por exemplo, ácido sulfúrico em destilarias de álcool) (GOMES et al.,2011).
O tratamento anaeróbio tem aumentado em aplicações e recebido importantes contribuições científicas, no intuito de aperfeiçoar este tipo de tratamento e apresentá-lo como alternativa tecnicamente viável e economicamente vantajosa sobre outros processos tradicionais. (MEDEIROS FILHO, 2000)
O tratamento anaeróbio tem como vantagens o fato da degradação do material orgânico ser acompanhada da produção de energia na forma de metano, enquanto que a produção de lodo é muito menor se comparada com processos aeróbios (67% de anabolismo neste contra apenas 30% no anaeróbio, segundo Van Haandel, 1996), o que é bom para a tecnologia a ser estudada neste trabalho. Devido às baixas taxas de crescimento das bactérias anaeróbias tem-se redução dos custos de transporte, de tratamento e de disposição final do lodo.
2.5 POTENCIAL DE PRODUÇÃO DE METANO A PARTIR DE
ESGOTO DOMÉSTICO E DE LIXIVIADO
O potencial de produção de metano a partir de biogás produzido em sistemas anaeróbios de tratamento de esgoto doméstico está ligado à quantidade de matéria orgânica presente no efluente. A qualidade do efluente
depende da população que o gera e do sistema de emissários que o conduzem às estações de tratamento. O sistema de canalização do esgoto à estação de tratamento pode interferir na sua concentração, pois uma rede muito extensa poderá receber influência das redes pluviais nos períodos de chuva, como no caso da ETE Cabanga, ou aumentar o numero de ligações clandestinas ao longo da rede; já um sistema não extenso pode ser menos influenciado por estes fatores.
No Brasil, o aproveitamento do biogás ainda é incipiente, com apenas 42 MW de capacidade instalada e 20 MW em construção (ANEEL, 2013). Tendo em vista a alta densidade da população brasileira em grandes centros urbanos e a expressiva produção agropecuária e agroindustrial, é lógico acreditar que o atual aproveitamento do biogás no Brasil encontra-se bastante aquém do seu potencial (ZANNETE, 2009).
2.5.1. Modelos de Zannete
Segundo Zannete (2009), pode-se estimar a produção de biogás de uma estação de tratamento de esgoto através de duas configurações: a primeira seria o sistema anaeróbio e a segunda seria o sistema aeróbio de tratamento de efluente com a digestão anaeróbia do lodo.
O potencial de produção de biogás a partir do tratamento anaeróbico de efluentes é calculado através da Equação 03.
CH4 = POP x DQO x ƞDQO x YCH4/DQO (Eq. 03)
na qual: POP : População atendida; DQO: Demanda Química de Oxigênio;
ƞDQO : Eficiência de remoção da DQO; YCH4/DQO : Produção de metano por
A segunda possibilidade de estimar a produção seria a partir do sistema de tratamento aeróbio com digestão anaeróbia do lodo, por meio da Equação 04.
CH4 = POP x DQO x ƞDQO x YSSV x ƞSSV x YCH4/SSV (Eq. 04)
na qual: POP : População atendida; DQO: Concentração da Demanda Química de Oxigênio; ƞDQO : Eficiência de remoção da DQO; YSSV: Rendimento de
metano por massa de DQO removida; ƞSSV : Eficiência de remoção de
biomassa e YCH4/SSV : Rendimento de metano por massa de biomassa removida
Um caso estudado por Zannete (2009) propôs resultados utilizando essas duas equações em uma estação de tratamento de efluentes que atende a uma população de cem mil habitantes, calculou-se uma produção de 4800 m3 de metano por dia usando o sistema anaeróbio e de 2400 m3 (redução de 50%) de metano por dia utilizando o sistema aeróbio com a digestão anaeróbia do lodo. A Tabela 2.4 descreve os parâmetros utilizados:
Tabela 2.4 - Parâmetros utilizados para cálculo da produção de biogás.
Parâmetro Tratamento anaeróbico de efluentes
Digestão anaeróbica de lodo do tratamento aeróbico
População atendida 100.000 pessoas 100.000 pessoas DQO 0,15 kg/hab.dia 0,15 kg/hab.dia Produção de biomassa 960 kg/dia 5.400 kg/dia Rendimento de biomassa1 0,08 kg/kg DQO removida1 0,40 kg/kg DQO removida1 Eficiência de remoção da biomassa 60% Eficiência de remoção da DQO 80% 90%
Produção de biogás 4800 m3 CH4/dia 2430 m3 CH4/dia
Rendimento de biogás 0,4 m3 CH4/kg DQO
removida
0,75 m3 CH4/kg SSV
removida
1Biomassa medida na forma de sólidos em suspensão voláteis (SSV) ( METCALF & EDDY,2004 e US EPA, 2007.)
2.5.2. Modelo de Nuvolari
Nuvolari et al. (2003) apresentam um terceiro modelo para se estimar a produção de biogás, Equação 5.
2.6. APROVEITAMENTO DO BIOGÁS
Nos países desenvolvidos a recuperação energética do biogás é de amplo conhecimento e utilizada há muito tempo. Esse tipo de tecnologia vem sendo o centro das atenções e se torna palco de várias pesquisas que visam aperfeiçoar a tecnologia anaeróbia. Principalmente depois da ratificação do protocolo de Kyoto e a implementação dos Mecanismos de Desenvolvimento Limpo (MDL), tem-se um aumento em investimento e pesquisas para o aproveitamento de novas fontes de energia (SALOMON e LORA, 2009). Aliado a isso o consumo de energia proveniente dos combustíveis fósseis encontra-se em caráter de transição parcial ao uso de energias renováveis, uma vez que as fontes de petróleo e gás natural encontram-se em declínio e com uma depleção teórica prevista para 2070 (BOERIU et al., 2005).
Há pelo menos 16 milhões de famílias ao redor do mundo que utilizam o biogás gerado em digestores de pequena escala. Na Índia e China é utilizada a bastante tempo e encontra-se disseminada principalmente em pequenos produtores agrícolas (agricultura familiar). Estima-se que existiam pelo menos 26,5 milhões de unidades de biogás na China em 2007, o que corresponde ao aproveitamento de aproximadamente 1/5 do potencial de produção de biogás que pode ser gerado no meio rural (MWAKAJE,2008; YU CHEN et al., 2010).
Dentre os vários benefícios que a recuperação energética do biogás proporciona, como fatores econômicos, energéticos, sociais, o ambiental é certamente o objetivo mais aproveitado, devido as toneladas de metano que, em vez de provocar poluição e efeito estufa, são aproveitadas para gerar energia limpa e renovável.
2.6.1. Uso do Biogás como fonte de Hidrogênio
A produção de hidrogênio em larga escala se dá tradicionalmente pelo processo de reforma de hidrocarbonetos leves, principalmente do gás natural que é usado na indústria química. O biogás é uma ótima matéria prima para os processos de reforma, o qual pode ser usado com fonte alternativa de metano. A produção de H2 pode acontecer através da reforma do gás metano e
do biogás na faixa de temperatura entre 600 – 1000° C (reações endotérmicas e reversíveis).
Segundo Alves et. al (2013), os processos mais comuns utilizados para reforma de metano são:
Reforma de Vapor - Steam Reforming (SR)
A Reforma a Vapor (SR) pode ser entendida como uma cobinação de vapor de água e metano, na presença de um catalisador, produzindo CO e H2. É um processo altamente endotérmico, o qual
requer uma faixa de temperatura entre 650 e 850 °C para obter uma faxa de produção de H2 de 60-70% (ZHU et. al, 2010; FONSECA et.
al, 2005).
Reforma de Oxidação parcial - Partial Oxidation Reforming (POR)
A POR ocorre em uma ração de caráter moderadamente exotérmico, ao contrário da SR que possui uma característica altamente endotérmica. Por tal razão a POR se torna uma alternativa para a produção de H2 a baixo custo. Este tipo de reação ocorre à pressão
síntese) e, para garantir a completa conversão e reduzir a formação de fuligem, a faixa de temperatura requerida para a reação fica em torno dos 700°C a 900 °C. No entanto, um pequeno decréscimo na seletividade do CO induz o metano a reagir com oxigênio para formar CO2, favorecendo a combustão completa (reação fortemente
exotérmica), o que resulta em um aumento significativo da temperatura, formando assim pontos quentes no leito do reator.
Reforma Autotérmica – Autothermal Reforming (ATR)
Devido ao seu caráter endotérmico, a SR associada à reação de mudança requer um suplemento externo de força. O aquecimento interno do reator, geralmente, é mais eficiente que seu aquecimento externo e uma reação que libera energia no leito catalisador do reator pode realizar a produção de H2 de uma forma
energeticamente mais econômica. No entanto a POR do metano tem a vantagem de ser exotérmica, porém a mesma gera uma baixa razão H2/CO quando se compara com a SR.
Baseado nisso, a ATR pode ser realizada utilizando uma combinação entre as técnicas POR e SR (Souza et. al, 2005; Halabi et al., 2008). A ATR também ocorre na presença de CO2.
Reforma Seca – Dry Reform (DR)
A DR ocorre quando o metano reage com o CO2,produzindo CO e
H2. Neste tipo de reação, dois gases que contribuem para o efeito
estufa são usados como matéria prima (metano e gás carbônico), o que se torna um ponto positivo relacionado à questão ambiental. No entanto, deve-se observar que o caráter endotérmico da reação minimiza a redução de CO2, uma vez que o CO2 emitido pela queima
do combustível usado para o aquecimento necessário para a reação deve ser considerado. Do ponto de vista industrial, a DR se torna útil para vários processos de síntese de compostos oxigenados e hidrocarbonetos líquidos (Fischer-Tropsch síntese), o que se torna uma via eficiente para a produção de gás de sintese, englobando
uma razão H2/CO perto de 1.(OYAMA et al., 2012; ELTEJAEI et al.,
2012).
2.6.2. Uso do biogás para combustão direta com recuperação
energética
A combustão direta do biogás apresenta um potencial de recuperação de aproximadamente 80% do metano presente transformado em energia, sendo esse a oportunidade mais eficiente para a sua recuperação energética. No entanto, seu uso se torna uma desvantagem para os usuários que se encontram a uma distancia relativa à fonte, devido aos autos custos de transporte do mesmo, porém considerando uma distancia curta da fonte o biogás pode ser utilizado em sua totalidade ou em complementação aos combustíveis usualmente empregados para tal finalidade, como por exemplo caldeiras e secadores térmicos (USEPA,2008b).
2.6.3. Uso do biogás para combustão direta sem recuperação
energética
Dependendo da quantidade gerada de biogás por dia, se torna viável ou não a sua utilização para a geração de energia. No caso de aterros sanitários para pequenas populações, onde não se dispõe de uma quantidade significativa de resíduos e/ou rejeitos que possibilitem uma produção mínima de biogás capaz de satisfazer a demanda de um sistema de aproveitamento energético, se faz necessário a queima do biogás produzido uma vez que a acumulação do mesmo poderá resultar em uma explosão “inesperada”. Os queimadores são utilizados nesse caso e podem ser abertos ou fechados.
2.6.4. Uso do biogás para geração combinada de eletricidade e
calor
A geração combinada de eletricidade e calor se processa pelo princípio de que a geração de energia libera certa quantidade de calor, o qual é absorvido e aproveitado e não mais é perdido para o ambiente. Esse processo visa utilizar cada vez mais a energia da matéria prima, no caso o combustível
utilizado para a queima, a qual teria grande parte perdida para o ambiente, pois o calor liberado na queima possui um percentual alto que seria absorvido pelo o ambiente dependendo da eficiência do sistema. Motores modernos do ciclo Otto possuem uma eficiência que varia de 20 a 25%, ou seja, da energia inicial liberada na queima do combustível apenas esse percentual é transformado para energia mecânica, o resto é absolvido pelo ambiente. Neste sistema de geração combinada, esse percentual de energia que seria perdido é reaproveitado. As principais tecnologias de sistemas de co-geração são apresentadas seguir:
Motores de Combustão Interna (MCI)
Os motores de combustão Interna são máquinas que através do consumo da energia química presente no combustível, gera energia mecânica capaz de realizar movimento. Atualmente, existem três tipos de motores de combustão interna: o motor de ciclo Otto, o motor a Diesel e o motor rotacional de Wankel.
Motor de Ciclo Otto: O motor de ciclo Otto típico é o motor quatro tempos, ou seja, no seu ciclo completo os pistões desenvolvem quatro tempos, dois próximos à cabeça do cilindro e dois afastados da cabeça do cilindro. Os motores a dois tempos, combinam em dois movimentos as funções do quatro tempo, porém possuem eficiência e potência inferior ao quatro tempos.
Motor de ciclo Diesel: O motor de ciclo Diesel se diferencia do de ciclo Otto pelo fato de ter a sua combustão a volume constante, ao invés de ocorrer à pressão constante. Em sua maioria, os motores do ciclo Diesel operam em quatro tempos, porém com configurações diferentes ao ciclo Otto. Sua eficiência gira em torno dos 40%, porém possuem uma baixa rotação, comparada com o ciclo Otto, que possui uma eficiência de 25%.
Motor rotacional de Wankel: Este tipo de motor utiliza um rotor com três cantos girando em uma câmara grosseira de forma oval, em vez de pistão e cilindro. A rotação do rotor comprime a mistura que sofre ignição com a faísca de uma vela. Os gases liberados pela queima são expelidos através da porta de descarga, pela ação do rotor giratório.
Turbina a Gás
A turbina a Gás é uma máquina que utiliza o princípio do fluxo contínuo, pelo qual se desenvolve uma chama estável durante a combustão. Podendo-se utilizar vários combustíveis e proporcionando uma combustão mais limpa. Essa tecnologia apresenta maior viabilidade para projetos de recuperação de energia, acima de 3.000 kW. (USEPA, 2003a). Essa tecnologia tende a ser mais compacta, isto é, ter uma maior razão potência/peso (atingindo até 70%, em comparação com outros motores), sendo mais adequadas para sistemas móveis. Possui partida e paradas mais rápidas, consomem menos matéria-prima na fabricação, além de quase não requerer água para resfriamento. Apresentam menos custo e menor vibração, porém apresentam menor potência específica, menor eficiência e menor vida útil, além de não poder ser consertado na planta de operação.
Célula a combustível de Ácido Fosfórico (PAFC)
Segundo Camparin et al. (2007), a célula de ácido fosfórico apresenta um condutor protônico que funciona a uma temperatura ótima entre 150 e 200°C, pois o catalisador de platina apresenta menor contaminação por CO quando trabalha nessa faixa de temperatura, sendo muito adequada para geração estacionária de energia e com durabilidade comprovada.
A PAFC é uma tecnologia com mais de 260 unidades ao redor do mundo em estações de tratamento de esgoto e água, hotéis, aeroportos e hospitais (GOMES NETO, 2005), inclusive no Brasil nas cidades do Rio de Janeiro e Curitiba. Possuindo uma eficiência elétrica da ordem de 35 a 40% e um sistema de reforma de metano presente no gás natural e biogás.
Sammes et al. (2004) descreveram uma célula PAFC que operou na cidade de New York durante quatro anos e atendeu em 50% a demanda energética de uam estação de tratamento de esgoto utilizando o gás gerado pela decomposição anaeróbia. Estima-se que mais de 1,3 milhões de m3 de metano foram convertidos em energia e, comparando com a unidade alemã, mais de 1.700 t de dióxido de carbono foram evitadas de serem lançadas na atmosfera.
Em instalações de pequena escala o biogás é utilizado principalmente para aquecimento e cocção. Em unidades maiores, predomina o aproveitamento em sistemas de co-geração. Em qualquer aplicação, o objetivo da utilização do biogás é reduzir o consumo de combustíveis fósseis (ou lenha, em alguns casos). Observa-se também um uso crescente do biogás em sistemas de co-geração ou como suplemento ao gás natural (PERSSON et al., 2006).
3. MATERIAL E MÉTODOS
3.1. ESTAÇÕES DE TRATAMENTO UTILIZADAS NO ESTUDO
3.1.1. ETE Mangueira
A ETE Mangueira (Figura 3.1) possui uma vazão de projeto de 2688 m³/dia atendendo a uma população de aproximadamente 15440 pessoas, tendo como tratamento os reatores UASB e Lagoas de Estabilização.
Figura 3.1 - Vista da ETE da Mangueira (Recife-PE)
Fonte – MOTTAS SOBRINHO (2006)
O sistema de esgotamento sanitário da Mangueira é composto por um estação elevatória, que tem a função de elevar, por meio de bombas, os esgotos provenientes da rede para a ETE; Grade de Barras, que é o equipamento utilizado para reter o material grosseiro, não retido na estação elevatória e prejudicial ao processo de tratamento. Uma Caixa de Areia (desarenador) também faz parte do sistema, que é destinada à retenção de areia carreada dos esgotos, além do RAFA-Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente, que é um método moderno de depuração de matérias orgânicas.
Ainda existem duas fases que complementam o tratamento: o recebimento do lodo produzido pelo RAFA, que é depositado nos Leitos de
Secagem e, por último, a Lagoa de Polimento, unidade utilizada para reforçar o tratamento.
3.1.2. ETE Cabanga
A ETE-Cabanga, da Companhia Pernambucana de Saneamento - Compesa, foi a primeira estação de tratameto de esgotos a entrar em operação, no Recife, no dia 6 de junho de 1959. Hoje, conta com 214km de redes coletoras e 17 estações elevatórias.
A ETE de Cabanga (Figura 3.2), Recife - PE (8º 10’S; 34º 54’O), localizada às margens do Rio Jiquiá, próxima ao estuário, tratava um volume médio mensal de 350.000 m3 de esgotos domésticos através da decantação primária, gerando 1.260 m3/mês de lodo cru que, são tratados por digestão anaeróbia e desidratados em leitos de secagem (PINHO, 1993).
As amostras coletadas foram acondicionadas em caixas refrigeradas e em seguidas levadas ao Laboratório Interdisciplinar de Meio Ambiente do Departamento de Engenharia Química, para serem analisadas.
Figura 3.2 – Esquema simplificado da ETEs da Cabanga (a) e foto (b).
Recife,PE
Fonte: Motta Sobrinho (2006)
3.1.3. ETEI Brasil Kirin
As amostras de efluentes e lodo ativado foram coletas na entrada da Estação de Tratamento de Efluentes Industriais (ETEI) e no digestor anaeróbio da Brasil Kirin, respectivamente. Esta unidade está localizada na Guabiraba (Recife - PE). As etapas de tratamento são descritas no Quadro 3.1. A Figura 3.3 apresenta uma foto da estação da cervejaria estudada.
Quadro 3.1 - Etapas de Tratamento d ETEI da Brasil Kirin.
Fonte: Alcantara (2012)
Figura 3.3 - Vista da ETEI da cervejaria estudada
Fonte: Google Maps
Etapa do Tratamento Finalidade
Sistema de Peneiras Estáticas Remoção de grandes partículas sólidas
Equalização dos Efluentes Sistema composto por tanque de equalização em concreto que faz a homogeneização do efluente.
Tanque de Condicionamento
Sistema composto por tanque em concreto onde o efluente é preparado para iniciar a alimentação do sistema anaeróbio, com controle de pH e nutrientes
Tratamento Biológico- Sistema Aneróbio Sistema composto por 02 (dois) reatores anaeróbios do tipo IC ( Circulação Interna)
Tratamento Biológico-Lagoas de Aeração
Sistema composto por 02 (duas) lagoas aeradas , sendo uma com sistema de aeração propiciado por cadeias móveis com difusores de bolhas finas e a outra com 8 (oito) agitadores mecânicos
Lagoa de Polimento Última etapa do tratamento onde ocorre a remoção das pequenas partículas sólidas existentes
