Ethan Frome - Associação Brasileira de Recursos Hídricos

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XII SIMPÓSIO DE RECURSOS HIDRÍCOS DO NORDESTE
PRODUÇÃO DE BIOGÁS EM UNIDADE DE TRATAMENTO DE ESGOTO
COMO MITIGAÇÃO AO LANÇAMENTO DE LODOS EM CORPOS
HÍDRICOS, UM ESTUDO DE CASO
Angelo Marcos Santos de Lucena 1 ; Anderson Alves Santos 2& Flávio Santos Leopoldino3
RESUMO – O processo de urbanização resulta no aumento do volume de efluentes com
significativo teor de orgânicos, passíveis de ocasionar impactos ambientais negativos. A pesquisa
estimou a capacidade de geração do biogás de um Digestor Anaeróbio de Fluxo Ascendente com
unidade de pós-tratamento do tipo Lodo Ativado. A metodologia foi aplicada com base em modelos
matemáticos de dimensionamento, parâmetros sugeridos na literatura e pesquisas já elaboradas com
o objetivo de avaliar a produção de energia a partir de subprodutos do tratamento de esgotos e a
concentração dos gases inerentes ao biogás, de acordo as características estruturais e dinâmicas da
estação de tratamento de esgoto sugerida. Foi estimado que a ETE produzirá por dia 20,4 l.hab-1 de
biogás, sendo desta quantia, 18,72 l.hab-1 somente de metano considerando a purificação e a perda
de potencial energético em 35,00% com a dissolução de metano no efluente. O sistema como um
todo resultou na produção de 19,91 l.hab-1.d-1 de metano, atingindo um potencial em termos
energéticos de 2,37 W.hab-1.d-1. Os resultados encontrados permitem concluir que a produção de
biogás a partir da remoção da carga orgânica convertida em energia elétrica, poderá ser suprida
parcialmente no sistema de tratamento de esgoto.
ABSTRACT– The urbanization results in increased volume of effluents with significant organic
content, possibly giving rise to significant negative environmental impacts. The survey estimated
generation capacity of biogas anaerobic digester of a flow unit with ascendant post- treatment of
type Activated Sludge. The methodology was applied based on mathematical models sizing
parameters suggested in the literature and research have developed in order to assess energy
1
- Discente do curso de Engenharia Civil (FTC-Itabuna/BA), Técnico em Saneamento da EMASA/Itabuna-BA, Praça José Bastos, 55, Centro,
Itabuna-BA, telefone (73) 8846 2525, e-mail: [email protected].
2
- Economista, Doutorando e Mestre em Desenvolvimento Regional e Meio Ambiente (UESC), Especialista em Recursos Hídricos (UFAL)
Especialista em Meio Ambiente e Desenvolvimento (UESB), Professor Associado da Faculdade de Tecnologia e Ciências (Itabuna/BA) dos cursos de
Engenharia Civil e Ambiental. Praça José Bastos, 55, Centro, Itabuna-BA, telefone (73) 8116 8510, e-mail: [email protected];
3
- Engenheiro Florestal, Mestre em Ciências Florestais (UFV), Coordenador dos cursos de Engenharia Civil e Ambiental da Faculdade de
Tecnologia e Ciências (Itabuna/BA). Praça José Bastos, 55, Centro, Itabuna-BA, telefone (73) 9978 7152, e-mail: [email protected]
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1
production from by-products of sewage treatment and the concentration of inherent gas to biogas
according the structural and dynamic characteristics of the wastewater treatment plant suggested . It
was estimated that the WWTP will produce per day about 20.4 l.hab-1 biogas, with this amount,
18.72 l.hab-1 only considering methane purification and loss of energy potential in 35.00 % with
dissolution of methane in the effluent. The system as a whole resulting in the production of 19,91
l.hab-1.d-1 methane , reaching a potential in terms of energy of 2.37 W.hab-1.d-1. The results
showed that the production of biogas from the removal of organic matter converted into electrical
energy can be supplied partially in the sewage treatment system.
Palavras-Chave – Esgoto doméstico, Tratamento de efluentes, biogás
1. INTRODUÇÃO
O crescimento econômico e o aumento desordenado das populações, associado ao estilo de
vida da sociedade moderna, confluem-se em artifícios complexos que participam de um
denominador comum: a disponibilidade de uma oferta justa e íntegra de energia. Assim, do
intercâmbio complexo da sociedade, responsável pelas agressões ao meio ambiente e pelas
alterações da concentração de Gases de Efeito Estufa (GEE), procede a uma relevante inquietação
com o meio ambiente e suas fontes de energia.
Diante deste cenário, conduzir o saneamento ambiental, e ainda empreender o potencial
energético das Estações de Tratamento de Esgoto - ETE tende a ser uma escolha viável. Ademais, o
gás metano (CH4) gerado pela deterioração da matéria orgânica, poderia ser encaminhado e
queimado em motores geradores de energia, visando, assim, reduzir os impactos ambientais
negativos, e apreciar o biogás como uma fonte de energia limpa e renovável.
O biogás é uma mistura gasosa gerada ao longo da degradação anaeróbia da matéria
orgânica - na ausência de oxigênio. O metano encontrado no biogás de esgoto é 21 vezes mais
agressivo para o meio ambiente que o dióxido de carbono, dado como os fundamentais responsáveis
pelo crescimento da concentração de gases de efeito estufa (GEE).
E assim, com o fulcro na redução de impactos em águas subterrâneas e, sobretudo com
vistas aos possíveis ganhos econômicos na mitigação de impactos ambientais, a presente pesquisa
buscou avaliar o potencial de produção de biogás em uma unidade de tratamento de esgoto com
vistas à conversão em energia elétrica, uma consideração sobre uma ETE, Itabuna-BA.
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2 CONTEXTUALIZAÇÃO
2.2 Esgoto Sanitário
O esgoto é caracterizado em relação ao uso e a forma que a água foi submetida, variando
com a situação social e econômica, hábitos da população e clima (VON SPERLING, 1996a).
Contém aproximadamente 99,90% de água, e apenas 0,10% de sólidos. Este percentual constituído
de sólidos orgânicos e inorgânicos, dissolvidos e suspensos além dos microrganismos, ocasiona
problemas de poluição das águas, gerando a necessidade de tratamento dos esgotos.
De acordo Von Sperling (1996a), o esgoto possui além de seus sólidos, gases dissolvidos em
diversas concentrações, destacando-se o gás carbônico (proveniente da decomposição da matéria
orgânica), o oxigênio (no líquido antes de solver o esgoto) o gás sulfídrico, o nitrogênio e o metano.
A caracterização da matéria orgânica dos efluentes é importante para determinar a
concentração de oxigênio na água (DACACH, 1991). Os microrganismos utilizam a matéria
orgânica disponível, e também consomem o oxigênio durante o seu metabolismo por oxidação
bioquímica, sendo, portanto responsáveis pela degradação (estabilização) da matéria orgânica (VON
SPERLING, 1996a). A quantificação da matéria orgânica pode ser obtida através de dois métodos
principais: a) Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) e, b) Demanda Química de Oxigênio
(DQO)
A vantagem evidenciada da DQO relacionada à DBO é a agilidade da reação. Enquanto a
DBO demora cinco dias para ser concluído, o teste da DQO é feito em apenas de 2 a 3 horas.
Segundo Von Sperling (1996a), a relação DBO/DQO para dejetos residenciais brutos, varia em
torno de 1,7 a 2,4. Segundo Crespo (2005), a interpretação dos resultados alcançados com a DQO,
podem indicar, dependendo da magnitude, o tipo de tratamento mais apropriado a ser empregado,
confirmando sua importância.
A composição dos efluentes industriais diferencia em função do tipo de atividade que
desempenha e com os tipos de processos utilizados no conjunto de operações, podendo conter
elevada carga de compostos orgânicos, inorgânicos ou de ambos. Antes de serem lançados, é
aconselhável, à rede coletora de esgoto atender certos padrões, a fim de evitar danos ao tratamento
NBR 9800 (ABNT, 1987).
Para estimar a eficiência do sistema de tratamento biológico de efluentes, geralmente, podese utilizar a comparação entre DQO/DBO520, sendo que, índices abaixo de 1,5 apontam restrições ao
emprego deste tipo de técnica, e no caso dessa relação ser excessiva e o efluente possua alta
concentração de compostos inorgânicos apresentando contaminantes, sugere-se a implantação de
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um tratamento preliminar físico-químico antes de serem direcionados ao processo (NUVOLARI,
2003).
1.3 Efeitos dos Poluentes em Corpos Hídricos
A redução do teor de oxigênio dissolvido torna-se um dos principais problemas de
degradação de corpo receptor, devido ao lançamento exagerado de carga orgânica além da
capacidade de autodepuração de um rio. Esta representa um artifício através do qual o meio
aquático consegue converter a substância orgânica em produtos mais estáveis através da dispersão,
diluição e sedimentação como também do restabelecimento das concentrações de oxigênio em
decorrência do movimento espontâneo da água (ICLEI, 2010; VON SPERLING, 1996a).
A jusante de um lançamento de efluentes em um rio forma as zonas de autodepuração, sendo
os processos descritos na sequência lógica: zona de degradação ou zona de mistura, zona de
decomposição ativa, zona de recuperação e zona de águas limpas (ICLEI, 2009).
No local onde ocorre a descarga dos dejetos, inicia-se a zona de degradação contendo uma
elevada concentração de carga orgânica, gerando um início de desequilíbrio do meio. Os sólidos em
suspensão sedimentam formando bancos de lodo e começam então, nesta fase, a redução dos seres
aeróbios (peixes) e o surgimento de microrganismos aeróbios devido às condições favoráveis com a
diminuição da concentração de oxigênio (ICLEI, 2009; VON SPERLING, 1996a).
Após a fase de ambientação do meio às novas condições, os microrganismos começam
decompor a matéria orgânica utilizando o oxigênio dissolvido, surgindo à zona de decomposição
ativa, iniciando a redução da população de seres aeróbios decompositores (bactérias patógenas ou
não). Em alguns casos, a concentração de oxigênio tende a zerar, desenvolvendo o processo de
decomposição anaeróbia, produzindo gases como metano, gás sulfídrico, amônia e outros,
propiciando o surgimento de odores desagradáveis (ICLEI, 2009; VON SPERLING, 1996a).
Em seguida, começa a zona de recuperação com o consumo da matéria orgânica, reduzindo a
solicitação de oxigênio pelas bactérias aeróbias e as mesmas começam aparecer devido às condições
favoráveis com a concentração de OD. Ao mesmo tempo, o ambiente líquido nesse estágio possui
uma coloração mais tênue, facilitando a penetração de raios solares favorecendo a fotossíntese e o
surgimento de algas com uma melhora na oxigenação da água, dando início a recuperação das
condições de equilíbrio (NUVOLARI, 2003).
Por fim, surge a zona de águas limpas, onde a concentração de OD, coliformes e DBO
retornam às suas condições naturais, surgindo um novo ecossistema (VON SPERLING, 1996a).
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1.4 Geração e Transformação do Biogás em Energia
Segundo Pecora (2006), o biogás é produzido pela deterioração do material orgânico. Sua
composição característica é em torno de 70,00% de metano, 25,00% de dióxido de carbono e 5,00%
de uma mistura de outros gases como hidrogênio (H2), nitrogênio (N2), oxigênio (O2), ácido
sulfídrico (H2S), amônia (NH3) e monóxido de carbono (CO). Afirma também, que a pressão e a
temperatura são condicionantes que interferem diretamente na geração dos gases através da digestão
anaeróbia, conduzindo o metano a alcançar um índice entre 40,00 a 80,00% da composição do
biogás.
O metano (CH4) é o elemento fundamental do biogás e pode ser utilizado em um sistema
como combustível. A presença de incombustíveis como água e dióxido de carbono prejudica o
processo de queima e absorvem parte da energia produzida, tornando o sistema menos eficiente.
Todavia, o ideal é a remoção desses elementos através dos métodos de remoção de impurezas, tais
como, adsorção, absorção física ou química, refrigeração ou combinação, variando a técnica de
acordo a substância (ALVES, 1998).
Para tornar o biogás produzido mais eficiente, deve-se passar por um processo de purificação
para corrigir as propriedades naturais, no qual se remove a umidade, o teor de ácido sulfúrico (H2S),
e dióxido de carbono (CO2), elevando os níveis de metano, onde são indicados as composições
características do biogás antes e posteriormente a limpeza (PECORA, 2006).
No procedimento para converter biogás em energia elétrica, é fundamental que ocorra uma
combustão controlada, onde a transformação processa-se pela mudança da energia química
(rompimento das partículas do biogás) em energia térmica ou mecânica, a qual aciona um gerador
que converte em energia elétrica. Entre as tecnologias disponíveis no mercado para a conversão, os
motores de combustão interna – Ciclo Otto e as microturbinas a gás são as mais utilizadas.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A avaliação do potencial da capacidade produtiva de biogás com intuito na conversão em
energia elétrica a partir do metano, foi feita através da unidade de tratamento (ETE Vertente Leste)
da Empresa Municipal de Águas e Saneamento S/A. (EMASA). A ETE será construída no
município de Itabuna-BA (Figura 1). Localizado, na região Sul do estado da Bahia com uma
população de 204.667 habitantes (IBGE, 2010), tendo sua base econômica centrada no comércio e
na indústria de transformação.
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Figura 1 - Mapa do Município de Itabuna, BA.
Fonte: BAHIA, 2001.
O tipo da unidade utilizada no estudo é um sistema com pré-tratamento com digestores
anaeróbios de fluxo ascendente – DAFA’s seguidos da tecnologia de lodos ativados com aeração
prolongada, confirmada por Sperling (2002), julgada a mais adequada às necessidades da
concessionária local (EMASA S/A).
3.1 Operacionalização
Para melhor direcionar o aproveitamento energético do biogás, com a finalidade de
utilização da energia elétrica na própria ETE, foi adotado o tratamento através de DAFA associado
ao lodo ativado de aeração prolongada para atender uma demanda de até 167.400 habitantes, com a
capacidade para tratar uma vazão média de esgoto de 232,5 L.s-1, conforme Equação 3.1, e uma
produção volumétrica estimada de carga orgânica de 8.370 kg.d-1. Considerou-se também uma etapa
de pré-tratamento para a proteção dos equipamentos das unidades principais de operação com a
implantação de grades mecanizadas grosseiras e desarenadores mecanizados. A potência mínima
requerida para a ETE em estudo será de 3,55 W.hab-1, conforme o Quadro 5.
A EMASA realizou um estudo populacional na cidade, utilizando como parâmetro os dados
do Censo de 2010, indicando uma estimativa de 300.000 habitantes para o ano de 2031.
Considerando as proporcionalidades de áreas definidas em projeto, o recorte populacional do
presente estudo é o de 167.400 habitantes referente à Vertente Leste.
Atribuiu-se um escore de 0,8 (relação esgoto-água) para o coeficiente de retorno por não
haver resultados obtidos em campo, conforme a NBR 9649 (ABNT, 1986) recomenda. Assim,
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através da Equação 1, a vazão calculada per capita média de esgotos que a ETE pode tratar é de 0,120
(m³.hab-1.d-1) ou 120 (L.hab-1.dia-1), equivalendo a 232,5 L.s-1 a vazão pela população total.
Qméd =
150. 0,8
= 0,120 (m³.hab-1.d-1)
1000
(1)
Dentro deste cenário, com o indicativo da população e com resultado da vazão, esta unidade
de tratamento de esgoto, conforme a Resolução Conama Nº 377, de 9 de outubro de 2006 em seu
inciso IV, é classificada como sendo de médio porte, em função da vazão nominal de projeto ser
maior que 50 L.s-1 e menor ou igual a 400 L.s-1, ou com capacidade para atendimento superior a 30.000
e inferior a 250.000 habitantes. Por conseguinte, associado à DBO com a matéria orgânica presente
no resíduo, vinculada à população contribuinte de esgoto, a razão demonstrada pela Equação 2,
determinou que, através da vazão identificada, o valor correspondente a concentração da carga
orgânica do esgoto afluente é de 450 (mg.L-1).
C DBO5 AFL 
54
= 450 (mg.L-1)
0,120
(2)
Pela porção encontrada da carga orgânica, considera-se um resíduo concentrado,
convencionado em diretrizes normativas (esgoto forte). Adotou-se para a proporção de DBO5 na
DQO o valor empírico proporcional de 0,47 para esgoto doméstico, conforme sugere o estudo
realizado por Carvalho et al. (1993). Desta maneira, tem-se então 957 mg.L-1 de concentração da
DQO afluente.
DQO afluente  450 .(0,47) 1  957,45 (mg. L1 )
(3)
O valor consoante à remoção da DQO afluente foi resultante da eficiência do reator DAFA,
determinada pela Equação 4, aplicada ao Tempo de Detenção Hidráulica de 8 horas, com o objetivo
de evitar arraste de sólidos.
EDQO  100 . (1  0,73. 80,60 )  79,00 %
(4)
Sendo assim, a eficiência do reator é de 79,00%, oui) seja, 200,72 mg.L-1 de DQO efluente.
Esse valor de remoção de DQO afluente está superior do que se espera para reatores anaeróbios,
pois Chernicharo (1997) considera o sistema anaeróbio eficiente quando a remoção de matéria
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orgânica for superior a 65,00% para o tratamento de águas residuárias. A produção média de biogás
encontrada foi de 0,020 (m³.hab-1.d-1), através da Equação 5.
Qbiogás  0,120 . 0,17  0,020 (m³.hab 1.d 1 ) ou 20,4 ( Lbiogás.hab 1.d 1 )
(5)
O resultado encontrado corrobora à Aisse (1999), para processos anaeróbios, a produção de
biogás pode variar predominantemente, na faixa de 5 a 20 L.had-1.d ou ainda 200 litros por kg de
DQO removida. No que se refere a concentração de metano, primeiramente, calculou-se a carga de
DQO convertida em metano, através das equações 6, a sua correspondente a 1 mol, pela Equação 7,
em níveis normais de temperatura, pressão e condições normais de operação do reator.
DQOCH 4 = 0,12 .(957,45  200,72)  0,2 .0,12 . 957,45  67,83 (gDQOCH4.hab-1.d-1)
1.64
 2,62 (gDQO CH4.L-1)
K (T ) 
0,08206.(273  25)
(6)
(7)
Deste modo, a produção de metano calculada per capita medido através da Equação 8 foi de
25,92 (LCH4.hab-1.d-1), e, considerando as perdas de 35,00% da produção volumétrica, a geração de
metano líquido encontrada foi de 16,85 (LCH4.hab-1.d-1), conforme Equação 9.
QCH 4 
67,83
 25,92 ( L.hab1.d 1 )
2,62
QCH 4líquido  (1  0,35) .25,92 = 16,85 (LCH4.had-1.d-1);
(8)
(9)
Após apurar o biogás, fez-se necessário eliminar as impurezas do metano, com a finalidade
de conversão em energia, conforme a Equação 10. Em seguida avaliou-se também a geração
adicional de biogás a partir do lodo aeróbio excedente na linha de recirculação, de acordo com a
Equação 11. Finalmente, de posse dos resultados da produção volumétrica de biogás somados das
unidades (DAFA e Lodo Ativado), estimou-se o potencial energético no sistema, através da
Equação 12.
QbiogásDAFA  (16,85 . 100) . 90 1  18,72 ( Lbiogás.hab -1.d -1 )
(10)
QbiogásLA  11 . 0,76 . 0,25 . 0,8  1,67 ( gSV .hab 1.d 1 )
(11)
PE 
(18,72  1,29) . 8200 . 0,30 .4,1868
 2,38 (W .hab 1 )
86400
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(12)
8
Quanto as alternativas do reaproveitamento da energia elétrica foram obtidos como avaliação o
valor de 61,10 tCH4.ano-1 proveniente da degradação anaeróbia para o município de Itabuna,
utilizando o número de habitantes projetado para a ETE em 2030 (fim de plano). A estimativa
representa um total considerado de gás nocivo que não sendo processado é lançado direto à
atmosfera.
E  167400 .18250 . 0,1 . 0,8 . 0,25
E  0,0747 GgCH 4 .ano
(13)
1
E  61,10 tCH4 .ano 1
Por fim, após a conversão deste gás em energia elétrica, observou-se que o seu potencial não
daria para suprir a demanda energética total da própria ETE, ou seja, autossuficiente, pois, seria
necessário 3,55 W.hab-1 considerando as etapas de tratamento preliminar, tratamento primário,
DAFA e lodo ativado. Porém, com o potencial energético de 2,38 W.hab-1 calculado, pode ser
destinado à aplicação nas seguintes etapas: tratamento preliminar, tratamento primário e no DAFA
conjuntamente; ou no processo de lodos ativados (aeração prolongada) separadamente. Por outro
lado, também, poderá ser aplicado na iluminação interna na área da ETE ou em seu entorno nas
unidades residenciais e comerciais.
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O sistema de tratamento proposto no estudo é uma alternativa com diversas vantagens, como
redução de área, melhor qualidade do efluente tratado, sem necessidade de decantador primário e o
lodo aeróbio é retornado ao DAFA para digestão, onde atinge índices satisfatórios dentro dos
parâmetros recomendados pelos órgãos ambientais e contidos nas Resoluções 357 e 430 do
CONAMA.
Evidenciou-se na pesquisa que através dos dados analisados, com a implantação da tecnologia
de conversão do biogás a partir de esgotos doméstico (residencial e comercial) em energia elétrica,
pode-se evitar de forma significativa a emissão de metano na atmosfera e, sobretudo favorecer o
lançamento de substancias contaminantes e/ou poluentes em corpos hídricos.
Cabe destacar que a proposição do presente trabalho não foi esgotar as possibilidades de
análise e os impactos ambientais, pois há sistemas de utilização do biogás que na coparticipação da
produção de energia, utilizam caldeiras para queima do lodo desidratado, o que emitem particulados
(CO2). Portanto são “sustentáveis” quanto à contaminação de lençóis, porém impactantes na
atmosfera.
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Com os resultados obtidos neste estudo, é possível concluir que a produção de energia a partir
de subprodutos do tratamento de esgotos é relevante, sustentando benefícios econômicos e
ambientais, porém, é importante ressaltar que os valores encontrados são apenas perspectivas que
podem variar com o tipo de equipamento utilizado para geração de energia elétrica, sejam turbinas a
gás, motores (ciclo Otto) acoplados a geradores e micro-turbinas, cada qual com rendimento
específico.
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