Esgotamento Sanitário - Tecnologias e Inovações

Esgotamento Sanitário

- Tecnologias e Inovações –

Cooperação entre Universidade e Empresa de

Saneamento na Perspectiva de Implantação

das Inovações Tecnológicas

Carlos Augusto de Lemos Chernicharo

IV Seminário Internacional de Engenharia de Saúde Pública

Desenvolvimento sustentável, demandas contemporâneas e responsabilidade socioambiental

-Março de 2013

Carlos Augusto de Lemos Chernicharo

Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental Universidade Federal de Minas Gerais

Sumário

Tratamento de Esgotos no Brasil: Breve

Contextualização

Pesquisa e desenvolvimento da tecnologia

anaeróbia no Brasil

Desafios e implantação de inovações

tecnológicas

Tratamento de Esgoto no Brasil:

Principais processos de tratamento de esgoto

empregados, por porte

(amostra em 3 estados)

0 0 0 3 4 14 1 1 2 5 15 25 0 5 10 15 20 25 30

Dec. Prim. Dec. Prim. +

Disp. Ocean. Disp. Ocean.Trat. Prel. + Lagoas Lodos Ativados UASB + Pós-tratamento

N ú m ero d e ET Es

Processo de tratamento empregado

Tecnologia UASB

• Tecnologia consolidada

• Apresenta diversas vantagens e grande

aplicação, todavia algumas limitações ainda

existem

• Uma etapa de pós-tratamento é usualmente

necessária visando a:

• Complementação de remoção de matéria orgânica

• Remoção de nutrientes

Pesquisa e Desenvolvimento:

O período PROSAB: 1996 - 2008

•

Formação de redes cooperativas de pesquisa:

-

Envolvimento de diversas instituições de pesquisa em todo o Brasil

(Universidades, Centros de Pesquisa, Companhias de Saneamento)

-

Participação de instituições consolidadas e instituições emergentes

-

Reuniões sistemáticas de acompanhamento e avaliação

-

Criação de diversos centros de pesquisa aplicada em todo o Brasil

-

Pesquisas focadas no desenvolvimento e aprimoramento de tecnologias

simplificadas de tratamento de esgoto

•

Legado:

-

Disponibilização de diversos produtos, a exemplo de livros, vídeos e

coletâneas de artigos (download gratuito no site da FINEP)

-

Criação de diversos centros de pesquisa aplicada no Brasil, a maioria

funcionando como plataformas permanentes de pesquisa e demonstração

-

Contribuição efetiva para a revisão da Norma Brasileira de Tratamento de

Esgoto

-

Influência decisiva no modelo tecnológico brasileiro para tratamento de

Centro de Pesquisa e Treinamento em

Saneamento - CePTS

•

Localização

:

- ETE Arrudas – Belo Horizonte – Minas Gerais – Brasil (Capacidade: 4.5 m3/s)

•

Principais características

:

- Estações experimentais de tratamento de esgoto (escalas piloto e

demonstração), todas alimentadas com esgoto real, tomado da ETE Arrudas - Mini-redes de distribuição de água, de coleta de esgoto e de águas pluviais - Unidades administrativas e de controle

•

Objetivos:

- Pesquisa, demonstração e treinamento em saneamento (água e esgoto) - Atividades focadas principalmente em pesquisa aplicada

- Desenvolvimento e otimização de configurações de reatores - Determinação e otimização de critérios de projeto e de operação

•

Configuração: Reator UASB + Filtro Biológico Percolador

•

População de projeto: 500 habitantes

•

Vazão de projeto: 3,2 m

3

_/h

Compartimentos individualizados

•

Configuração: Filtros Percoladores com diferentes tipos de meio suporte

•

População de projeto: 400 habitantes

•

Vazão de projeto: 2,6 m

3

_/h

Desafios e implantação de

inovações tecnológicas

Biogás e

Gás residual

- Emissão de odor - Emissão de GEE - Recuperação de energia - Corrosão - Toxicidade

Efluente

líquido

-Carbono residual - Nutrientes - Patógenos -Microcontaminantes - Emissão de odor - Emissão de GEE

Reator

Escuma - CorrosãoSistema alimentação Separador trifásico

-Pré-tratamento e

elevatória chegada

- Emissão de odor

- Variação da vazão afluente - Passagem de detritos - Passagem de óleo e graxa

Lodo

-Recuperação nutrientes - Higienização - Presença detritos -Desidratação -Recuperação de energia

Sistemas anaeróbios: desafios e inovações

Emissões de

metano

Emissões de

_H

₂

_S

Recuperação

de energia

Remoção de

amônia

Controle

operacional

Desafio 1:

Controle operacional: gerenciamento

do lodo

ETE Laboreaux – Itabira

Legenda

Tratamento preliminar

Tratamento biológico (Reatores UASB)

Pós-tratamento (Filtros Biológicos Percoladores) Tratamento do lodo e da escuma (desidratação)

Hidrograma das vazões médias diárias

afluentes à ETE

0 20 40 60 80 100 120 36 66 96 126 156 186 216 246 276 306 336 366 396 426 456 486 516 546 576 606 636 666 696 726 756 786 816 846 876 906 936 966 996 1026 1056 1086 1116 1146 V a z ã o m é d ia d iá ria (L /s)

Dias operacionais (dias) Vazão média afluente

2009

Fases operacionais da ETE

0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 1 20 51 76 90 107 125 136 153 167 178 195 S S T (m g /L ) M as sa S T ( kg ) Dias operacionais ST SST 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 209 235 262 287 318 342 365 392 415 440 468 493 520 S S T (m g /L ) M as sa S T ( kg ) Dias operacionais ST SST

Relação entre massa de lodo e

Série temporal - DBO

0 100 200 300 400 500 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 Con ce n traçã o DBO (m g /L ) Dias operacionais (d)

Esg. Bruto Esg. Bruto + Lodo retorno Efl. UASB

Efl. FBP Efl. final Padrão

6 por Média Móvel (Esg. Bruto) 6 por Média Móvel (Efl. UASB)

2009

2008 2010 2011

Gráficos Box Plot dos resultados de DBO

Períodos operacionais 7 e 8

Período 7

Período 8

(sem retorno de lodo)

(com retorno de lodo)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 EB EB + Lodo Retorno

Efl. UASB Efl. FBP Efl. Final

C onc entr aç ão de D BO ( m g/L) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 EB EB + Lodo Retorno

Efl. UASB Efl. FBP Efl. Final

Conc en tr aç ão de DB O ( m g/L )

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 EB EB + Lodo Retorno

Efl. UASB Efl. FBP Efl. Final

Conc en tr aç ão de S S T ( m g/L ) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 EB EB + Lodo Retorno

Efl. UASB Efl. FBP Efl. Final

Conc en tr aç ão de S S T ( m g/L )

Gráficos Box Plot dos resultados de SST

Períodos operacionais 7 e 8

Período 7

Período 8

Pontos-chave para o gerenciamento do lodo:

•

Manutenção da massa de lodo no interior do reator UASB

entre a massa mínima e a massa máxima. Necessidade de

descartes mais frequentes;

•

Favorecer a manutenção da camada mais densa de lodo (leito)

no fundo do reator, pois esta melhora as condições de

retenção, adensamento e digestão do lodo aeróbio de retorno

(não praticar descarte de lodo apenas do fundo do reator);

•

Bombeamento do lodo aeróbio de retorno de forma contínua

ou semi-contínua, ao longo de todo o dia. O bombeamento em

bateladas dificulta a retenção do lodo no interior do reator

UASB e induz a saída dos sólidos mais finos.

Desafio 2:

Elevadas perdas de metano dissolvido no efluente líquido

30 DQO solúvel no ef luente 35% Conversão em metano recuperado no biogás 29% Perda como metano dissolvido 13% Perda como metano na f ase gasosa 3% Utilizada na redução de sulf ato 5% Conversão em biomassa 14% DQO solúvel no ef luente 40% Conversão em metano recuperado no biogás 19% Perda como metano dissolvido 17% Perda como metano na f ase gasosa 3% Utilizada na redução de sulf ato 7% Conversão em biomassa 13% DQO solúvel no ef luente 30% Conversão em metano recuperado no biogás 39% Perda como metano dissolvido 11% Perda como metano na f ase gasosa 2% Utilizada na redução de sulf ato 3% Conversão em biomassa 15%

Pior cenário

Cenário típico

Melhor cenário

Estimativas das perdas de metano, de acordo com

diferentes cenários

31

Aderência das medições de biogás em campo às

faixas estimadas pelo modelo

0 200 400 600 800 1000 0 20 40 60 80 100 P ro d u çã o e sp er ad a d e b io g á s (m 3 .d -1 )

Vazão contribuinte de esgoto (L.s-1₎ ETE Laboreaux 0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 0 200 400 600 800 1.000 P ro d u çã o e sp er ad a d e b io g á s (m 3 .d -1 )

Vazão contribuinte de esgoto (L.s-1₎ ETE Onça

32

Relações unitárias de produção de metano, de biogás e

de energia em reatores UASB tratando esgoto doméstico

Relação

unitária Unidade

Pior situação Situação típica Melhor situação Máx. Mín. Média Máx. Mín. Média Máx. Mín. Média Volume unitário de CH₄produzido NL.hab-1_.dia-1 _{9,9 3,6 6,8 13,3 7,4 10,2 16,7 11,1 13,7} NL.m-3_{esgoto 81,7 16,7 42,2 103,7 34,8 64,2 134,6 51,8 81,3} NL.kgDQO_remov-1 _{154,1 66,0 113,4 185,8 124,2 158,3 219,1 173,9 196,0} Volume unitário de biogás produzido NL.hab-1_.dia-1 _{14,1 5,2 9,8 17,7 9,9 13,6 20,8 13,9 17,1} NL.m-3_{esgoto 116,7 23,8 60,3 138,3 46,4 85,6 168,3 64,8 101,6} NL.kgDQO_remov-1 _{220,1 94,3 162,0 247,8 165,6 211,1 273,9 217,4 245,0} Potencial energético unitário MJ.m-3_{esgoto 2,9 0,6 1,5 3,7 1,2 2,3 4,8 1,9 2,9} MJ.kgDQO_remov-1 _{5,5 2,4 4,1 6,7 4,5 5,7 7,9 6,2 7,0} MJ.Nm-3_{biogás 25,1 25,1 25,1 26,9 26,9 26,9 28,7 28,7 28,7} MJ.hab-1_.dia-1 _{0,4 0,1 0,2 0,5 0,3 0,4 0,6 0,4 0,5}

Medições e simulações confirmam as elevadas perdas de metano

e de potencial energético

Emissões de metano:

possível solução

Gases residuais do decantador Efluente Desgaseificado Biogás Eflue nte con ten do sul feto e metan o G ases resi du ais do tr atamen to prel imi na r e ele vatóri a de c he ga da

Exaustor Biofiltro para remoção combinada de sulfeto e metano

Unidade de dissipação

Metano removido

devido a turbulência

Desafio 3:

Principais problemas: Corrosão e odor

Emissões de H

₂

S

H₂S

Geração de sulfetos pela

ação microbiana SO4  S -S-_{+ 2H}+  _H 2S Nível d’água O₂ Absorção de O2 na superfície H₂S disponível na atmosfera se a produção sulfetos excede a

absorção de O2 H₂S H₂S H₂S O2 Absorção de O₂ na superfície H₂S H₂S H₂S + O₂ H₂SO₄(pela ação microbiana)

Corrosão em estruturas de aço

Corrosão em estruturas de concreto

Exposição da

Corrosão em estruturas de concreto

Antes da limpeza

Gases residuais do decantador Efluente Desgaseificado Biogás Eflue nte con ten do sul feto e metan o G ases resi du ais do tr atamen to prel imi na r e ele vatóri a de c he ga da

Exaustor Biofiltro para remoção combinada de sulfeto e metano

Unidade de dissipação

Flare

> 80% remoção

devido a turbulência

Liberação do sulfeto dissolvido no efluente líquido

Remoção biológica de sulfeto de hidrogênio visando a

recuperação de enxofre elementar

Microrganismo

Função

Chlorobium ferrooxidans Oxidação biológica de sulfeto

Thiomonas sp. Oxidação biológica de sulfeto,estritamente aeróbias.

Thiorhodovibrio sp Oxidação biológica de sulfeto

Thiomonas cuprina Oxidação biológica de sulfeto e tiossulfato, _{estritamente aeróbia.}

Lamprocystis purpurea Oxidação biológica de sulfeto e tiossulfato,sob_{condições microóxicas no escuro.}

Thiobacillus sp. Oxidação biológica de sulfeto,estritamente aeróbia.

Microrganismos encontrados na escuma utilizada

como inóculo nos biorreatores

Remoção biológica de sulfeto de hidrogênio

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 21 28 35 49 58 63 70 91 99 105 112 119 133 140 147 153 C onc entr ação de H2 S (mg /L) Período operacional (d) Afluente Efluente BR1

Desafio 4:

Recuperação de energia a partir dos

subprodutos do tratamento: biogás e

Estudo de Caso: ETE Laboreaux – Itabira

Cenário atual

Condicionantes Cal + FeCl3 Caçamba Aterro Sanitário Filtro Prensa Tanque de lodo Linha de lodo

Linha de biogás _{Leito de secagem}

Tanque corta-chama

Reator UASB Queima do biogás

Potencial energético da ETE

Lodo CH

Total

PE

PE

PE



₄



PE

_lodo-MJ

= Potencial energético do lodo (MJ.d

-1

_);

PCI = Potencial calorífico inferior (MJ.kg

-1

_);

M

_lodo

= Massa de lodo gerada (kg.d

-1

_).

PCI

P

Poder calorífico do lodo

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 PCS PCI P ot en ci al C al or íf ic o T eór ic o (M J/ k g) 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 PCS PCI P ot en ci al C al or íf ic o R eal ( M J/ k g)

Demanda energética da ETE Laboreaux

5 m 4,8 m 3,9 m 11,5 m EEE-1 EEE-2 CDV-1 8 reatores

Desarenador Calha Parshall

Grades

Esquema ilustrativo da localização das EEE-1 e EEE-2 e suas alturas de recalque

0 300 600 900 1.200 1.500 1.800

jan/10 abr/10 jul/10 out/10 jan/11 abr/11 jul/11 out/11

D e m a n d a d e e n e rg ia n a E T E L a b o re a u x ( k Wh .d -1) Período (meses)

Demanda de energia da ETE Laboreaux nos anos de 2010 e 2011

Balanço de massa e energia para o aproveitamento energético

do biogás para a secagem térmico do lodo desidratado –

Cenário 1

- Biogás para combustão: Secagem (a 10% umidade) e higienização

do lodo

- Biogás para geração de energia elétrica: 2.132 MJ/d (40% da

demanda da ETE)

Tanque de lodo Reator UASB

Combustível Lodo seco e higienizado Secagem de lodo Câmara de combustão Filtro Prensa 3.759 kg.d-1 Ui= 58,7 % 7.518 MJ.d-1 542 m3_.d-1 15.284 MJ.d-1 7.764 MJ.d-1 1.725 kg.d-1 Uf=10% 7.932 MJ.d-1 Evaporação: 2.034 kg.d-1 Legenda Motor E P 2.132 MJ.d-1 η= 30% 252 m3_.d-1 7.106 MJ.d-1 290 m3_.d-1 Gases exaustão Perdas = 3.731 MJ.d-1 Energia útil = 1.244 MJ.d-1 η= 85% linha de lodo linha de biogás purificação do biogás geração de energia térmica eletricidade

detalhamento de alternativas η Eficiência de conversão Ui,f Umidade (inicial, final)

P E

Balanço de massa e energia para o aproveitamento energético

do biogás para a geração de eletricidade seguida de secagem

térmico do lodo com os gases de exaustão – Cenário 2

- Biogás para geração de energia elétrica: 4.485 MJ/d (85% da

demanda da ETE)

- Secagem térmica do lodo com gases de exaustão: Secagem de todo

o lodo a 49% umidade ou parte a 10% umidade

3.759 kg.d-1 Ui= 58,7 % 7.518 MJ.d-1 Legenda Secador Motor E Gases de exaustão Reator UASB P Filtro Prensa Tanque de lodo 542 m3_.d-1 15.284 MJ.d-1 4.585 MJ.d-1 η= 30% 3.020 MJ.d-1 η= 80% _{4.498 MJ.d}-1 3.040 kg.d-1 Uf= 48,9 % 654 kg.d-1 Uf= 10 % 2.332 kg.d -1 58,7 % + Evaporação: 719 kg.d-1 linha de lodo linha de biogás purificação do biogás geração de energia térmica eletricidade

detalhamento de alternativas η Eficiência de conversão

Ui,f Umidade (inicial, final)

P

Desafio 5:

Remoção de amônia em filtros

biológicos percoladores pós UASB

Vista aérea de uma ETE com FBP pós-UASB e

detalhe do FBP

• Simplicidade operacional e de manutenção

• Baixo consumo energético (aeração natural)

• Menor complexidade em termos de equipamentos

• Robustez a choques de carga e toxicidade

• Processo compacto de pós-tratamento

(adaptado de VON SPERLING, 2005 )

Vantagens de utilização da tecnologia

Concentrações de DBO total (mg/L) - efluente UASB e decantadores FBP

UASB Escória anel DHS Conduíte 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Concentrações de SST (mg/L) - efluentes UASB e decantadores FBPs

UASB Escória anel DHS Conduíte 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Concentrações de DQO total (mg/L) - efluente UASB e decantadores

UASB Escória Anel DHS Conduíte 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 60 mg/L 180 mg/L 60 mg/L

DBO

DQO

SST

Desempenho na remoção de matéria orgânica e sólidos

Condições operacionais:

• Temperatura média: 250_C

• TAS: 20 m³.m-2_.d

Ammonia concentrations (mg/L) UASB B.F.slag Ring DHS Tubing 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 20 mg/L

NH

₃ Ammonia concentrations (mg/L) UASB B.F.Slag Ring DHS Tubing 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 20 mg/L

NH

₃

Desempenho em relação à remoção de amônia

Condições operacionais:

• Temperatura média: 250_C • TAS: 10 m³.m-2_.d • COV 0.24 kgDBO.m-3_.d-1

Condições operacionais:

• Temperatura média: 230_C • TAS: 10 m³.m-2_.d • COV 0.38 kgDBO.m-3_.d-1

Surfactants concentrations (mgMBAS/L) Influent UASB B.F.slag Ring DHS Tubing 0 2 4 6 8 10 Surfactants concentrations (mgMBAS/L)

Influent UASB B.F.Slag Ring DHS Tubing 0 2 4 6 8 10 2 mg/L

LAS

2 mg/L

LAS

Desempenho em relação à remoção de surfactantes

Condições operacionais:

• Temperatura média: 250_C • TAS: 10 m³.m-2_.d • COV 0.24 kgDBO.m-3_.d-1

Condições operacionais:

• Temperatura média: 230_C • TAS: 10 m³.m-2_.d • COV 0.38 kgDBO.m-3_.d-1

Resultados de outros sistemas

Características Concentrações afluentes Concentrações efluentes

Referências COV TAS Temp DBO₅ SST NH₃ DBO₅ SST NH₃

kgDBO/m³.d m³/m².d ºC (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L) 0,68 13,61 21-23 96 75 29,7 42 34 25,8 Frade (2003) 0,68 13,61 20-26 96 48 29,4 32 22 27,5 Frade (2003) 0,31 13,61 18-27 44 35 22,6 23 14 18,9 Frade (2003) 0,42 21,22 17-21 78 64 21,1 37 26 18,4 Aisse (2002) 0,33 32,14 23-24 40 50 21,3 18 23 17,2 Aisse (2002)

1

2

3

4

Rotopack Rotosponge Organic matter removal Ammonia removal UASB reactor Final effluent

Remoção de DBO

Sewage

UASB

Rotopack

Rotosponge

0

50

100

150

200

250

300

350

m

gB

O

D

to

ta

l

.L

-1

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

B

O

D

r

em

ova

l (

%

)

Remoção de DQO

Sewage

UASB

Rotopack

Rotosponge

0

100

200

300

400

500

600

700

m

gC

O

D

to

ta

l

.L

-1

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

C

O

D

r

em

ova

l (

%

)

Remoção de SST

Sewage

UASB

Rotopack

Rotosponge

0

50

100

150

200

250

300

350

m

gT

S

S

.L

-1

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

T

S

S

r

em

ova

l (

%

)

Esg. bruto

Concentrações de DBO (mg.L-1₎ Esg. bruto

Concentrações de DQO (mg.L-1₎

Remoção de DBO (%) Remoção de DQO (%)

OLR (kgCOD.m-3.d-1) 300-350d 350-450d 450-600d 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1

Ammonium nitrogen Removal (%)

RP RS 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 NH4-N Rem NOx-N prod (mgN.L-1) RP RS 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Rotopack Rotosponge Rotopack Rotosponge

Efeito da COV e tipo de meio suporte sobre a

remoção de nitrogênio

Obrigado pela

atenção

Possible alternative for combined management of methane and

hydrogen sulfide in medium and large size plants

Waste gas from settlers Excess biogas Fan Bio ga s for micro -a eratio n treatmentBiogas Heat to users Fuel (biogas) Exhaust Electricity to plant utility Compressor Turbine

Biofilter _{Combined biological oxidation}

of sulfide and methane

Dissolved sulfide oxidation in the liquid-based post-treatment system

Micro-aeration with oxygen containing biogas W as te g as from p re limin ary trea tme nt an d pu mp in g sta tio n