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 - ToxicidadeEfluente
líquido
-Carbono residual - Nutrientes - Patógenos -Microcontaminantes - Emissão de odor - Emissão de GEEReator
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 energiaSistemas anaeróbios: desafios e inovações
Emissões de
metano
Emissões de
H
2S
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-3esgoto 81,7 16,7 42,2 103,7 34,8 64,2 134,6 51,8 81,3 NL.kgDQOremov-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-3esgoto 116,7 23,8 60,3 138,3 46,4 85,6 168,3 64,8 101,6 NL.kgDQOremov-1 220,1 94,3 162,0 247,8 165,6 211,1 273,9 217,4 245,0 Potencial energético unitário MJ.m-3esgoto 2,9 0,6 1,5 3,7 1,2 2,3 4,8 1,9 2,9 MJ.kgDQOremov-1 5,5 2,4 4,1 6,7 4,5 5,7 7,9 6,2 7,0 MJ.Nm-3biogás 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 daExaustor 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,sobcondições 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 BR1Desafio 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 lodoLinha 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 reatoresDesarenador 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: 250C
• 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/LNH
3Desempenho em relação à remoção de amônia
Condições operacionais:
• Temperatura média: 250C • TAS: 10 m³.m-2.d • COV 0.24 kgDBO.m-3.d-1Condições operacionais:
• Temperatura média: 230C • TAS: 10 m³.m-2.d • COV 0.38 kgDBO.m-3.d-1Surfactants 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/LLAS
Desempenho em relação à remoção de surfactantes
Condições operacionais:
• Temperatura média: 250C • TAS: 10 m³.m-2.d • COV 0.24 kgDBO.m-3.d-1Condições operacionais:
• Temperatura média: 230C • TAS: 10 m³.m-2.d • COV 0.38 kgDBO.m-3.d-1Resultados 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 effluentRemoção 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