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] XII Simpósio de Recursos Hídricos do Nordeste 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. XII Simpósio de Recursos Hídricos do Nordeste 2 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 XII Simpósio de Recursos Hídricos do Nordeste 3 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). XII Simpósio de Recursos Hídricos do Nordeste 4 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. XII Simpósio de Recursos Hídricos do Nordeste 5 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, XII Simpósio de Recursos Hídricos do Nordeste 6 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. L1 ) (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. 80,60 ) 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 XII Simpósio de Recursos Hídricos do Nordeste 7 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.hab1.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 XII Simpósio de Recursos Hídricos do Nordeste (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. XII Simpósio de Recursos Hídricos do Nordeste 9 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. BIBLIOGRAFIA AISSE, Miguel Mansur. 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