Biogás de Esgoto Sanitário

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FACULDADE DE TECNOLOGIA DE ARAATUBA CURSO DE TECNOLOGIA EM BIOCOMBUSTVEIS CARLOS ALEXANDRE CALCIO DA SILVA FERMENTAO ANAERBIA DE ESGOTO SANITRIO EM ARAATUBA, BIRIGUI E SANTO ANTNIO DO ARACANGU: AVALIAO DO POTENCIAL DE PRODUO DE BIOGS Araatuba 2011 FACULDADE DE TECNOLOGIA DE ARAATUBA CURSO DE TECNOLOGIA EM BIOCOMBUSTVEIS CARLOS ALEXANDRE CALCIO DA SILVA FERMENTAO ANAERBIA DE ESGOTO SANITRIO EM ARAATUBA, BIRIGUI E SANTO ANTNIO DO ARACANGU: AVALIAO DO POTENCIAL DE PRODUO DE BIOGS Trabalho de Graduao apresentado Faculdade de Tecnologia de Araatuba, do Centro Estadual Paula Souza, como requisito parcial para concluso do curso de Tecnologia em Biocombustveis sob a orientao da Profa. Dra. Lucinda Giampietro Brando Araatuba 2011 SILVA, Carlos Alexandre Calcio da Fermentao anaerbia de esgoto sanitrio em Araatuba, Birigui e Santo Antonio do Aracangu: avaliao do potencial de produo de biogs./ Carlos Alexandre Calcio da Silva. -- Araatuba, SP: Fatec, 2011. 77f. : il. Trabalho (Graduao) Apresentado ao Curso de Tecnologia em Biocombustveis, Faculdade de Tecnologia de Araatuba, 2011. Orientador: Profa. Dra. Lucinda Giampietro Brando. 1. Biogs 2. Esgoto sanitrio 3. Tratamento. II. Ttulo. CDD 333.9539 FACULDADE DE TECNOLOGIA DE ARAATUBA CURSO DE TECNOLOGIA EM BIOCOMBUSTVEIS CARLOS ALEXANDRE CALCIO DA SILVA FERMENTAO ANAERBIA DE ESGOTO SANITRIO EM ARAATUBA, BIRIGUI E SANTO ANTNIO DO ARACANGU: AVALIAO DO POTENCIAL DE PRODUO DE BIOGS Trabalho de Graduao apresentado Faculdade de Tecnologia de Araatuba, do Centro Estadual Paula Souza, como requisito parcial para concluso do curso de Tecnologia em Biocombustveis examinado pela banca Profa. Dra. Lucinda Giampietro Brando Orientadora - Fatec-Araatuba Profa. Ma. Agatha Stela de Morais Fatec-Araatuba Prof. Me. Renato Tadeu Guerreiro Fatec-Araatuba Araatuba 2011 Dedico este trabalho a Deus e minha famlia, em especial minha me Maria, a meu pai Antnio e minha irm Loreane. AGRADECIMENTOS A Deus em primeiro lugar, que me deu paz, esperana, conhecimento, fora e nimo para terminar este trabalho e no desistir do curso. Aos meus pais Antonio e Maria, pelo amor, incentivo, pacincia, carinho, dedicao, oraes e ajuda nos momentos mais difceis, pedindo sempre a Deus para abenoar a minha vida. minha irm e amiga Loreane, que me ajudou e apoiou nos meus estudos, e pelas oraes. minha av Ana e minha tia Maria, que sempre me motivaram a continuar os meus estudos. minha famlia que me apoiou nesses momentos mais difceis, principalmente com incentivos. professora e orientadora Dra. Lucinda Giampietro Brando, pela orientao, ajuda e correo deste trabalho, durante o seu desenvolvimento. Ao professor Dr. Ariovaldo Nuvolari da Fatec-SP por contribuir com informaes para este trabalho. Ao Eng. Nelson Junzo Miyashita ex-professor da Fatec-SP, pelas informaes e ajudar a contactar o professor Dr. Ariovaldo Nuvolari. Agradeo a professora Mestre e doutoranda Vanessa Pecora, enviar a sua tese de mestrado. Ao professor Dr. Electo Silva Lora, pelas informaes fornecidas. Ao eng. Reinaldo Murakami, gerente geral do Saneamento de Araatuba S.A. (SANEAR) por me auxiliar respondendo ao questionrio do trabalho de graduao. Agradeo aos representantes das prefeituras, de Santo Antonio do Aracangu, Dir. Fredi Augusto Ribeiro e ao Eng. Roberto Mazaia, ao Eng. Ivan Oliveira Longhini, da prefeitura de Araatuba e representante do DAEA, e da prefeitura de Birigui, o Secretrio Marcos Antonio Albano, por terem respondido o questionrio do trabalho de graduao, enviado para cada um, e por fornecerem as informaes para a elaborao deste trabalho. Deus no nos pede nunca nada alm de nossas foras. Ele mesmo nos d a fora para cumprir o que espera de ns. (Papa Joo Paulo II) RESUMO A produo de biogs a partir do tratamento anaerbio de esgoto sanitrio realizada pela decomposio da matria orgnica suspensa neste esgoto pela ao de microorganismos. O biogs proveniente desta reao composto, em maior proporo, por metano, que pode ser convertido energeticamente. Com a utilizao dos dados coletados por meio do questionrio enviado aos municpios avaliados, foi possvel descrever as caractersticas dos sistemas utilizados para o tratamento do esgoto sanitrio. A partir do programa Biogs Gerao e Uso Energtico, estimou-se o potencial de produo de biogs do esgoto gerado por cada habitante nas cidades de Araatuba, Birigui e Santo Antnio do Aracangu. Avaliando os resultados obtidos neste software, os municpios tm capacidade de produzir biogs e viabilidade de implantar um projeto para a recuperao e converso desse combustvel em energia eltrica. Palavras-chave: Biogs. Esgoto Sanitrio. Tratamento. ABSTRACT The production of biogas from anaerobic treatment of wastewater is performed by the decomposition of organic matter suspended in wastewater by microorganisms Biogas is made from this reaction, a greater proportion of methane, which can be converted into energy. Using data collected through the questionnaire sent to municipalities assessed, it was possible to describe the characteristics of the systems used for the treatment of sewage. From the program Biogas Generation and Use Energy estimated the potential production of biogas from wastewater generated per capita in cities of Araatuba, and Santo Antnio Aracangu e Birigui. Evaluating the results of this software, it is possible to say tha municipalities have the capacity to produce biogas and feasibility of implementing a project for the restoration and conversion of fuel into electrical energy. Key words: Biogas. Sanitary Sewage. Treatment. LISTA DE FIGURAS Figura 1. Resumo da reao de decomposio em meio anaerbio ........................................ 18 Figura 2. Sequncias metablica e grupos microbianos envolvidos na digesto anaerbia com a formao da sulfetognese. .................................................................................................... 21 Figura 3. Vista lateral da estrutura interna e dos componentes de uma microturbina ............. 25 Figura 4. Grupo motor-gerador alimentado por biogs Ciclo Otto. .................................... 27 Figura 5. Sequncia do ciclo de combusto no interior da cmara de combusto .................. 28 Figura 6. Sistema de cogerao de energia ............................................................................ 30 Figura 7. Diagrama de tratamento do esgoto ......................................................................... 32 Figura 8. Representao dos processos naturais que ocorrem na lagoa facultativa ................ 35 Figura 9. Representao de um sistema de tratamento com lagoa facultativa ........................ 35 Figura 10-a. Representao de um sistema de tratamento com sistema australiano: lagoa anaerbia em conjunto com lagoa facultativa. ......................................................................... 36 Figura 10-b. Representao de um sistema de tratamento com sistema australiano: lagoa anaerbia em conjunto com lagoa facultativa. ......................................................................... 36 Figura 11-a. Representao do sistema de lagoas aeradas de mistura completa seguida por lagoa de decantao .................................................................................................................. 38 Figura 11-b. Representao do sistema de lagoas aeradas de mistura completa seguida por lagoa de decantao .................................................................................................................. 38 Figura 12. Representao do sistema australiano seguido por lagoa de maturao em srie . 39 Figura 13. Representao do sistema de tratamento por lodos ativados convencional ........... 40 Figura 14. Representao do sistema com reator RAFA seguido por lagoa anaerbia .......... 42 Figura 15. Principais agentes patognicos presentes no esgoto sanitrio .............................. 44 Figura 16. Pgina inicial do programa simulador de potencial de biogs no efluente ......... 46 Figura 17. Pgina do programa com o ndice para elaborao do projeto .............................. 46 Figura 18. Pgina do programa com as caractersticas da ETAE............................................ 47 Figura 19. Pgina do programa para o calculo da estimativa de gerao de biogs .............. 48 Figura 20. Pgina referente ao clculo de vazo e potncia do biogs .................................. 49 Figura 21. Pgina contendo a representao grfica da vazo por ms de metano ................. 49 Figura 22. Estaes de tratamento de esgoto em Santo Antnio do Aracangu .................... 66 LISTA DE TABELAS Tabela 1. Composio mdia do biogs .................................................................................. 15 Tabela 2. Potencial de gerao de biogs pelos sistemas de tratamento ................................ 16 Tabela 3. Mtodos de remoo de impurezas do biogs ........................................................ 23 Tabela 4. Estimativa de produo de biogs pelo programa biogs gerao e uso energtico nas cidades de Araatuba, Birigui e Santo Antnio do Aracangu ......................................... 59 Tabela 5 Produo real e terica de esgoto nas cidades .......................................................... 62 LISTA DE GRFICOS Grfico 1. Quantidade de habitantes em cada municpio ....................................................... 51 Grfico 2. Volume de esgoto produzido nas cidades analisadas ............................................ 52 Grfico 3. Porcentagem de coleta e tratamento de esgoto nas cidades analisadas ................. 52 Grfico 4. rgos responsveis pelo tratamento de esgoto das cidades avaliadas ................. 53 Grfico 5. Nmero de estaes de tratamento de esgoto nas cidades avaliadas..................... 54 Grfico 6. Sistemas de tratamento de esgoto nas cidades avaliadas ...................................... 54 Grfico 7. Destino final da gua residual das cidades avaliadas ............................................ 55 Grfico 8. Aplicao do lodo nas cidades avaliadas............................................................... 55 Grfico 9. Tratamento da gua residual nas cidades avaliadas .............................................. 56 Grfico 10. Desinfeco da gua residual nas cidades avaliadas ............................................ 57 Grfico 11. Analise do esgoto efluente aps o tratamento ...................................................... 57 Grfico 12. Quantidade de indstrias que enviam resduos para a rede coletora de esgoto nas cidades avaliadas ..................................................................................................................... 58 Grfico 13. Vazo de metano na cidade de Araatuba ........................................................... 59 Grfico 14. Vazo de metano na cidade de Araatuba ........................................................... 60 Grfico 15. Vazo de metano na cidade de Birigui ................................................................ 60 Grfico 16. Vazo de metano na cidade de Santo Antnio do Aracangu .............................. 61 SUMRIO INTRODUO ........................................................................................................................ 13 1. REVISO DE LITERATURA ............................................................................................ 15 1.1. O Biogs ............................................................................................................................ 15 1.1.1. Histrico do biogs ......................................................................................................... 17 1.2. A digesto anaerbia D.A .. ............................................................................................ 18 1.2.1. Fases da digesto anaerbia ............................................................................................ 19 1.2.2. Fatores que restringem a digesto .................................................................................. 22 1.3. Mtodos de purificao do biogs ..................................................................................... 23 1.4. A Converso energtica do biogs .................................................................................... 24 1.4.1. Microturbinas ................................................................................................................. 24 1.4.2. Motores ciclo Otto combusto interna......................................................................... 26 1.5. Cogerao ...... ................................................................................................................... 30 1.6. Esgoto sanitrio ................................................................................................................. 31 1.6.1. Nveis do tratamento de esgoto ...................................................................................... 31 1.6.2. Principais sistemas de tratamento de esgoto .................................................................. 33 1.6.2.1. Fossas spticas ............................................................................................................. 33 1.6.2.2. Lagoas de estabilizao ............................................................................................... 33 1.6.2.2.1. Lagoas facultativas ................................................................................................... 34 1.6.2.2.2. Sistema australiano ................................................................................................... 35 1.6.2.2.3. Lagoas aeradas facultativas ...................................................................................... 37 1.6.2.2.4. Lagoas aeradas de mistura completa seguidas por lagoa de decantao .................. 37 1.6.2.2.5. Lagoas de maturao ................................................................................................ 38 1.6.2.3. Lodos ativados ............................................................................................................. 39 1.6.6.2.3.1. Lodos ativados convencional................................................................................. 40 1.6.2.3.2. Lodos ativados por aerao prolongada ................................................................... 41 1.6.2.3.3. Lodos ativados de fluxo intermitente ....................................................................... 41 1.6.2.4. Reator anaerbio de fluxo ascendente ......................................................................... 41 1.7. Agentes patognicos .......................................................................................................... 43 2. Metodologia .......................................................................................................................... 45 2. 1. Informaes tcnicas sobre o tratamento de esgoto dos municpios de Araatuba, Birigui e Santo Antnio do Aracangu ................................................................................................. 45 2.2. Mtodo para a determinao da Estimativa de Biogs produzindo pelo tratamento de efluentes dos municpios avaliados ........................................................................................ 45 2.2.1. Software biogs e gerao e uso energtico programa para a estimativa de gerao de biogs e avaliao de recuperao e uso energtico . .............................................................. 45 3. Resultados ............................................................................................................................. 51 3. 1. Quantidade de habitantes por municpio .......................................................................... 51 3.2. Volume de esgoto produzido por municpio .................................................................... 51 3.3. Coleta e tratamento de esgoto nas cidades ........................................................................ 52 3.4. rgos responsveis pelo tratamento de esgoto nas cidades avaliadas ............................. 53 3.5. Nmero de estaes de tratamento de esgoto nas cidades avaliadas ................................. 53 3.6. Sistemas de tratamento de esgoto utilizado nas cidades avaliadas .................................... 54 3.7. Destino final da gua residual nas cidades avaliadas ........................................................ 55 3.8. Aplicao do lodo nas cidades avaliadas . ......................................................................... 55 3.9. Tratamento do lodo de esgoto nas cidades avaliadas ........................................................ 56 3.10. Tratamento da gua residual nas cidades avaliadas ......................................................... 56 3.11. Anlise da gua residual nas cidades avaliadas ............................................................... 57 3.12. Nmero de indstrias que enviam resduos para a rede coletora de esgoto nas cidades avaliadas ................................................................................................................................... 58 3.13. Estimativa a quantidade de biogs produzido nas cidades de Araatuba, Birigui e Santo Antnio do Aracangu por meio do programa Biogs Gerao e Uso Energtico .................. 58 4. Discusso ............................................................................................................................. 62 Consideraes finais ................................................................................................................. 66 Referncias ............................................................................................................................... 68 Apndice A Questionrio do trabalho de graduao enviado s prefeituras das cidades avaliadas ................................................................................................................................... 73 13 INTRODUO A ampliao dos processos de tratamento de esgoto no Brasil, previsto para os prximos anos, ir elevar a produo de lodos gerados neste conjunto de operaes. O sistema de tratamento mais difundido no pas o tratamento por sistemas anaerbios, como consequncia dos mtodos utilizados gera-se o lodo (subproduto) que quando decomposto produz metano (CH4), este subproduto necessita ser regido de forma a respeitar a normas ambientais vigentes (BORGES; CHERNICHARO, 2009). Utilizar o metano do biogs proveniente deste sistema de tratamento anaerbio de forma energtica, e com baixo custo, uma das condies para se alcanar o desenvolvimento sustentvel. Este conceito ajusta-se perfeitamente s normas estipuladas pelo Banco Mundial, que determina as diretrizes para o uso consciente das fontes naturais de energia (AVELLAR; COELHO; ALVES, 2002). A formao do biogs ocorre pelo processo de digesto anaerbia, onde os microrganismos presentes naturalmente no processo realizam a decomposio da matria orgnica. Os microrganismos tm como objetivo reduzir a carga orgnica do sistema de tratamento, obtendo-se nesta reduo biogs e biofertilizante, que a matria orgnica fermentada e rica em nutrientes (PECORA, 2006). O uso energtico do biogs tambm proporciona a reduo das emisses de metano no meio ambiente, pois, em sua constituio, o gs metano representa a maior parcela, com poder de poluio 21 vezes mais elevado que o dixido de carbono (CO2) em contato com a atmosfera um dos gases causadores do chamado efeito estufa (COELHO et al, 2006 b). As matrias-primas necessrias para se produzir o biogs a partir da degradao anaerbia so provenientes de atividades industriais, comerciais, agrcolas e naturais que geram seus respectivos resduos orgnicos como: esgoto industrial e comercial (lodo), lixo domstico, dejetos de animais, resduos agrcolas e plantas aquticas, entre outros, estes compostos servem de substrato para gerao e posterior formao do biogs (PECORA, 2006). Como combustvel, o biogs tem ampla aplicao em motores de combusto interna ciclo Otto, aquecimento de caldeiras, fornos, turbinas a gs ou microturbinas e em equipamento de recuperao de calor que utiliza os gases de escape, dentre outros. Sua utilizao nestes equipamentos depende da identificao de sua vazo, composio qumica, 14 poder calorfico gerado na combusto, fatores que determinam o real potencial de gerao de energia na forma de energia eltrica e energia trmica. Determinar estes fatores permite dimensionar os processos de pr-tratamento do biogs que visam remoo de compostos qumicos que prejudicam o processo de queima como a remoo do dixido de carbono e umidade, cido sulfdrico (H2S) que causa corroso dos equipamentos, com objetivo de aumentar o rendimento do processo e a vida til dos equipamentos (COELHO et al, 2006 b). De acordo com Amaral, C. M. C. (2004), o processo de degradao anaerbia trs consigo vantagens na sua utilizao como alternativa no tratamento de resduos, este processo proporciona a reduo de microrganismos patognicos concomitantemente com a reduo dos riscos sanitrios possibilita sua reutilizao como adubo orgnico, diminuio dos poluentes emitidos na atmosfera, produo de biogs empregado na gerao de energia a partir de sua converso. Logo, as vantagens representam ganhos ambientais e econmicos, o que demonstra a viabilidade de se utilizar esse tipo de processo no tratamento de resduos. O presente trabalho tem por objetivo avaliar o potencial de gerao de biogs no tratamento de esgoto a partir de sistemas anaerbios na cidade de Araatuba, Birigui e Santo Antnio do Aracangu. Sendo assim, os resultados podero demonstrar que a utilizao do mesmo de forma energtica garante benefcios econmicos e ambientais para os municpios em questo. Utilizando-se de um questionrio enviado individualmente para os representantes dos municpios, e a partir de algumas informaes coletadas, foi possvel determinar a quantidade de biogs que potencialmente poder ser produzido e utilizado em diferentes cidades. 15 1. REVISO BIBLIOGRFICA 1.1. Biogs Define-se biogs como uma mistura de gases, que tem sua proporo determinada pelo tipo de resduo utilizado e a eficincia no processo digestivo para obt-lo. Basicamente composto por CH4 e CO2. O primeiro representa em torno de 50% a 70% da mistura e o segundo, em torno de 25% a 40%. A outra parcela composta por gases como monxido de carbono (CO), nitrognio (N2), oxignio (O2), entre outras substncias, que aparecem em menor proporo no biogs (COLDEBELLA, 2006). A Tabela 1 a seguir representa a composio bsica da mistura de biogs. Tabela 1. Composio mdia do biogs Composio Mdia do Biogs Metano (CH) 50 a 70 % Dixido de Carbono (CO2) 25 a 50 % Hidrognio (H2) 0 a 1% Nitrognio (N2) 0 a 7% Oxignio (O2) 0 a 2% cido Sulfdrico (H2S) 0 a 3% Amnia (NH3) 0 a 1% Monxido de Carbono (CO) 0 a 0,1% gua (H2O) Varivel Fonte: CETESB, 2011a O biogs produzido em estaes de tratamento de esgoto (ETEs) pode ser usado na forma de energia a fim de suprir ou elevar a produo desta, e ser utilizado em sistemas de cogerao. Outras caractersticas importantes associadas utilizao do biogs a mitigao dos impactos ambientais causados ao nosso planeta, e no tratamento dos efluentes, soluciona 16 alguns problemas voltados ao saneamento bsico no pas, j que sua reutilizao busca melhorar o rendimento no sistema de tratamento e diminuir os seus gastos (SALOMON, 2005). A Tabela 2 demonstra o potencial de produo de biogs pelo tipo de tratamento usado nas ETEs. Tabela 2. Potencial de gerao de biogs pelos sistemas de tratamento Sistemas de tratamento Potencial de Produo de biogs Lagoa anaerbia H produo de biogs no processo anaerbio, o qual pode ser captado para aproveitamento energtico por meio de cobertura das lagoas e implantao de sistema de coleta, tratamento e aproveitamento do biogs. Lagoa facultativa H produo de biogs, porm em menor quantidade que em uma lagoa anaerbia. Tecnicamente, possvel a instalao de sistemas de captao e aproveitamento do biogs, porm, as baixas vazes geradas podem inviabilizar o investimento. Lagoas aerbias No h capacidade de produo de biogs. Reatores anaerbios de fluxo ascendente (UASB / RAFA) H gerao de biogs no processo anaerbio, o qual pode ser captado para aproveitamento energtico. Sua viabilidade depender do volume e carga orgnica degradvel do efluente a ser tratado. Biodigestores convencionais (reator anaerbio) H produo de biogs no processo anaerbio, o qual pode ser captado para aproveitamento energtico. Sua viabilidade depender do volume e carga orgnica degradvel do efluente a ser tratado. Lodos ativados convencional No h capacidade para produo de biogs no tratamento de esgotos. Uma possibilidade de gerao de biogs no tratamento por digesto anaerbia do lodo gerado no processo. Lodos ativados com aerao prolongada No h capacidade para produo de biogs no tratamento de esgotos. Uma possibilidade de gerao de biogs no tratamento por digesto anaerbia do lodo gerado no processo. No entanto, o lodo j sai parcialmente digerido, portanto, a gerao de biogs inferior quando comparada ao tratamento de lodo gerado no processo de lodos ativados convencional. Fossas spticas H capacidade de produo de biogs, mas a captao e aproveitamento do gs so dificultados pelas dimenses reduzidas destes sistemas e baixa produo de biogs. Fonte: Von Sperling, 1995, apud Iclei, 2010 17 1.1. 1. Histrico do Biogs A provvel descoberta do biogs (gs dos pntanos) data de 1667, sendo realizada por Shirley, mas somente um sculo aps esta descoberta Alessandro Volta reconheceu a existncia de metano no biogs proveniente da matria orgnica em decomposio anaerbia nos pntanos (CETESB, 2011a; DEMEC, 2011). Em 1884, estudos realizados por Ulysse Gayon, aluno de Luis Pasteur, para se obter biogs a partir da fermentao de dejetos de cavalo coletados nas ruas de Paris (capital da Frana), teve como resultado a produo de 100L de metano obtido pela degradao anaerbia de 1m desta matria orgnica diluda em gua a 35C. Destes resultados, Luis Pasteur concluiu que o biogs produzido na fermentao anaerbia nesta proporo poderia ser utilizado como energia para iluminao das ruas de Paris, desta forma, completando a oferta energtica desta poca (DEUBLEIN; STEINHAUSER, 2008). A utilizao do gs metano produzido pela biodigesto anaerbia em alguns pases, j no era considerado mais anormal. Na ndia em 1859, na cidade de Bombaim onde se localizava uma colnia de leprosos, foram feitas as primeiras prticas de aplicao do biogs de forma direta para suprir as necessidades desta comunidade, incluindo o hospital. Os Ingleses, em 1895, aproximadamente 30 anos depois da primeira utilizao do biogs, realizado na ndia, deram incio s primeiras aplicaes do biogs na Europa, sendo este utilizado para iluminao pblica de algumas ruas da cidade de Exter, na Inglaterra. Com os resultados positivos obtidos na utilizao deste sistema outras formas de aplicao para o biogs foram surgindo (COSTA, 2006). Nas estaes de saneamento urbano, aps a 1 Guerra Mundial, o processo de tratamento por digesto anaerbia j era utilizado, obtendo-se a partir deste o metano (um dos constituintes do biogs) que era utilizado para o reaquecimento dos digestores anaerbios. O emprego do metano no sistema de tratamento proporcionava melhor rendimento e a reduo das dimenses dos equipamentos. Os biodigestores utilizados para se obter biogs e biofertilizante pela fermentao de dejetos de animais aumentaram em meio 2 Guerra Mundial nas propriedades agrcolas do interior da Frana, o que demonstrava necessidade de se buscar novas fontes energticas motivada pelos respectivos acontecimentos no mundo (POULALLION, 1986). Em pases como ndia e China, no incio do sculo 20, ocorreram o aperfeioamento dos biodigestores destinados produo de biogs e biofertilizante a partir de esterco de 18 animais, dando-se prioridade ao esterco bovino. Porm, o processo de fermentao anaerbia passou a ser pesquisado somente em 1960, o que alavancou os conhecimentos sobre as etapas deste processo, sobre a criao de biodigestores e outros equipamentos que melhoravam a qualidade dos produtos obtidos neste sistema (CETESB, 2011a). J no Brasil, os biodigestores foram implantados como alternativa para aliviar a tenso ocasionada pela crise do petrleo de 1970, em que o combustvel atingiu preos acima da mdia para esta poca. A utilizao do biodigestor era voltada principalmente para a produo de biogs, os modelos utilizados para esse fim eram o chins e o indiano que j eram utilizados na gerao de energia pelos seus pases de origem. Estes equipamentos foram utilizados inicialmente na regio nordeste do Brasil a partir de incentivos de programas que visaram difundir o uso em nosso pas, mas apesar do apoio o programa no gerou resultados que agradavam as expectativas relativas demanda energtica desta regio (DIAZ, 2006). 1.2. A digesto anaerbia D.A A digesto anaerbia um processo utilizado na estabilizao da matria orgnica a partir da fermentao bacteriana anaerbia, visando reduzir materiais orgnicos mais complexos em compostos mais simples como CH4, CO2 e outras substncias que so liberadas no processo, como amnia, sulfetos e fosfato (COSTA, 2006). A transformao da matria orgnica em minerais e alguns gases so resultantes da ao de microrganismo que dispensam o O2, utilizando como receptores naturais de eltrons (H2) as molculas simples obtidas na reao com ausncia de oxignio (PINTO, 1999). Esta reao resumida na Figura 1. Figura 1. Resumo da reao de decomposio em meio anaerbio Fonte: Pinto, 1999, p.80 19 1.2.1. Fases da digesto anaerbia Conforme Amaral, F. L. M. do (2004), as fases da D.A so descritas por muitos autores como sendo realizada em dois ou mais estgios, mencionados a seguir. No caso de dois estgios os mesmo so divididos em uma primeira fase, na qual seria realizada a converso da matria orgnica formada por polmeros (partculas complexas) em monmeros, em seguida cidos orgnicos e, em uma segunda fase, onde os produtos gerados na fase um so convertidos em compostos gasosos (CH4, CO2 e outros gases em menor proporo). J a digesto anaerbia em trs estgios leva em considerao a funo de cada grupo de microrganismo no processo anaerbio sendo eles formados por bactrias fermentativas, acetognicas e metanognicas. O autor ainda relata o processo em quatro estgios: hidrlise, acidognese, acetognese e metanognese, como visto relatado abaixo. Na fase de hidrlise a matria orgnica a ser degradada anaerobicamente no processo de digesto, muitas vezes, apresenta dimenses maiores que as bactrias fermentativas responsveis por realizar sua decomposio. Estas no conseguem distinguir a matria orgnica presente neste processo. Para poder realizar a degradao da matria orgnica, as partculas maiores (polmeros) presentes no meio necessitam ter sua superfcie de contato reduzidas em partculas com dimenses menores (monmeros), isto possvel atravs da hidrlise dessas substncias, o que caracteriza a primeira fase do processo da digesto anaerbia. Aps a sua reduo em partculas menores, estas substncias podem ser incorporadas pelas bactrias fermentativas (NUVOLARI, 2003). A transformao da matria orgnica de polmero para monmero ocorre pela ao de enzimas extracelulares (exgenas) que so liberadas pelas bactrias fermentativas no meio e realizam a reduo da superfcie de contato desta matria orgnica, ou seja, so responsveis pela hidrlise desses polmeros que quando transformado em monmero tornam-se solveis no meio (BLEY JR. et al, 2009). Na acidognese as substncias solveis (monmeros) produzidos na hidrlise, so transformadas pelas bactrias fermentativas a partir da absoro dessa substncia para o seu interior e posterior identificao por suas clulas, que as convertem em alcois, cidos orgnicos (cido butrico, propinico, lctico, frmico, outros cidos de cadeia curta), cidos graxos, CO2, sulfeto de hidrognio, entre outros elementos. Na acidognese ou fase cida, 20 ocorre tambm a reproduo de novas clulas para metabolizar a quantidade de cidos liberados e repor as clulas mortas no decorrer da etapa (VERSIANI, 2005). Durante a terceira fase, ou seja, acetognese, os subprodutos gerados na acidognese sero oxidados, obtendo-se nesta reao de perda de eltrons, molculas de CO2, H2 e acetato que so substratos para a prxima fase da reao da fermentao anaerbia, a metanognese. Sendo assim, o objetivo principal dessa fase produzir grande quantidade de acetato a partir das reaes bioqumicas de degradao dos cidos, lcoois, CO2 e H2 produzidos na fase anterior (NUVOLARI, 2003). Na etapa final chamada de metanognese (quarta fase) os compostos da fase anterior originam novos produtos o CH4 e CO2, que so obtidos pela ao das bactrias metanognicas que atuam no processo de converso principalmente de CO2, H2 e acetato, nos produtos finais. A velocidade de reao no meio restringe-se por ao de microbolhas de CH4 e CO2 produzidos nesse processo, levando-se a formao em torno das bactrias de uma barreira que as inibem de exercer suas atividades naturais, uma das alternativas para solucionar esta questo e a utilizao de agitadores para homogeneizar a matria orgnica e romper os obstculos formados pelas microbolhas (BLEY JR. et al, 2009). Versiane (2005) ainda indica uma quinta fase na digesto, denominada sulfetognese, que ocorre caso o resduo utilizado contenha substncias compostas por enxofre. Essa etapa inicia-se quando a matria orgnica presente no resduo a ser digerido, contm compostos de enxofre, sulfato e sulfito, este sofrem reduo pela ao de bactrias sulfuredutoras, transformado-os em sulfetos. Com o aumento na concentrao de enxofre, as reaes realizadas pelas bactrias sulfuredutoras so desviadas do seu metabolismo normal, e estas comeam a competir pelo restante do substrato contido na reao com as bactrias acetognicas e metanognicas. As bactrias responsveis por reduzir o sulfato tm como vantagem o desenvolvimento mais acelerado em relao aos outros grupos de bactrias. Se a concentrao de sulfeto aumentar drasticamente, provocar a reduo da quantidade de metanobactrias at elimin-las da reao, pois essa substncia txica para esta espcie de microrganismo. No entanto, para que estes estgios possam processar-se efetivamente, imprescindvel que aproximadamente 18 parmetros sejam definidos e controlados: presso parcial de hidrognio; concentrao de microrganismos; tipos de substratos; superfcie especfica do material; desintegrao; cultura, mistura e volume de alimentao; luz; temperatura; pH; potencial redox; nutrientes; elementos traos; precipitantes; remoo de 21 gases; inibidores; grau de decomposio; espuma e flocos (DEUBLEIN; STEINHAUSER, 2008). Alguns destes parmetros vo ser abordados no decorrer deste trabalho, dando-se nfase aos mais importantes. A Figura 2 demonstra as etapas da digesto anaerbia, os microrganismos envolvidos e as reaes no processo. Figura 2. Sequncias metablica e grupos microbianos envolvidos na digesto anaerbia com a formao da sulfetognese. Fonte: Chernicharo, 1997 apud Amaral, F. L. M. do, 2004, p. 38 22 1.2.2. Fatores que restringem a digesto Para manter a eficincia nos nveis de digesto, aliado a produo de biogs e a reduo da carga orgnica no digestor, alguns parmetros devem ser observados, j que so responsveis pelo bom desempenho da reao. Alguns autores, como, Deublein e Stainhauser (2008), destacam at dezoito parmetros diferentes, citados anteriormente, mas alguns se destacam. So eles a temperatura, o tipo de substrato, o tempo de reteno hidrulica, o potencial hidrogeninico (pH) e a presena de materiais txicos (DIAZ, 2006). A temperatura parmetro fundamental estabelecido para todos os organismos do processo. Quando alterado, modifica a velocidade de reao das bactrias (metabolismo), o equilbrio inico e a capacidade dos substratos de se dissolverem na reao. Para manter a temperatura do equipamento (temperatura de trabalho), utiliza-se conforme disponibilidade de recursos a instalao de equipamentos para o aquecimento no interior dos digestores anaerbios. A implantao deste sistema deve ser feita aps anlise do custo-benefcio, que vai determinar se vivel ou no a sua utilizao (DIAZ, 2006; DEUBLEIN; STEINHAUSER, 2008). O tipo de substrato leva em considerao caractersticas da matria orgnica. fator essencial na determinao do volume e qualidade do biogs. Ela sofre alteraes devido qualidade da alimentao, idade dos microrganismos que esto na digesto, e tipo de substrato usado sendo de origem animal, efluentes comerciais, industriais, entre outros (DIAZ, 2006; DEUBLEIN; STEINHAUSER, 2008). O tempo de reteno hidrulica, perodo em que a massa orgnica fermentada pelas bactrias no digestor, descreve que cada tratamento possui um determinado tempo para estabilizar a matria orgnica (DIAZ, 2006; DEUBLEIN; STEINHAUSER, 2008). O pH importante para produo estvel de biogs. necessrio manter uma faixa tima do mesmo em torno de 6 a 8. O pH abaixo ou acima dos padres normais ocasionam a instabilidade do processo de digesto na fase metanognica e reduo na proporo e qualidade do biogs (DIAZ, 2006; DEUBLEIN; STEINHAUSER, 2008). Os materiais txicos devido contaminao por substncias compostas principalmente por surfactantes como detergentes, sarnicidas, entre outros, podem inibir o processo digestivo e metablico das bactrias (DIAZ, 2006; DEUBLEIN e STEINHAUSER, 2008). 23 1.3. Mtodos de purificao do biogs O biogs contm em sua estrutura elementos no carburantes, quando presentes em elevadas concentraes causam danos combusto interna dos equipamentos de converso e outras alteraes. As substncias responsveis por alterar a sua caracterstica de exploso so a gua e o dixido de carbono, que se no removidos reduzem a eficincia deste combustvel e, como consequncia, a produo de energia eltrica pelas tecnologias. H tambm a presena de outros contaminantes como o H2S que causa a corroso interna dos equipamentos com o tempo de uso, sendo responsvel pelo baixo aproveitamento destes equipamentos e por diminuir o seu tempo de vida til. Por fim temos a siloxina (partculas abrasivas) que desgasta as partes metlicas com o seu contato direto (COELHO, 2006a). Sendo assim, o ideal remover essas impurezas de biogs e, para isto, temos vrios mtodos diferentes como os apresentados na Tabela 3. Tabela 3. Mtodos de remoo de impurezas do biogs Impurezas Mtodos Detalhes gua Adsoro Slica gel Peneira molecular Alumina Absoro Etileno glicol (temperatura 6,7C) Selexol. Refrigerao Resfriamento a 2C Hidrocarbonetos Adsoro Carvo ativado Absoro leo leve Etileno glicol Selexol (temperaturas: entre 6,7C e 33,9C) Combinao Refrigerao com etileno glicol e adsoro em carvo ativado CO2 e H2S Absoro Solventes orgnicos Selexol Flor Rectisol Solues de sais alcalinos Potssio quente e potssio quente inibido (talvez tamponado) Alcanolaminas Mono, di-tri-etanol amina Deglicolamina Ucarsol-CR Fonte: Alves, 2000, p. 59 24 Para purificar o biogs e proceder a separao dos compostos gasosos indesejveis neste combustvel, so utilizados diversos mtodos simples. Os principais so absoro fsica ou qumica, adeso das molculas em uma superfcie slida, transformao qumica, separaes utilizando-se de membranas e tcnicas de criogenia. Os processos de remoo de impurezas mais utilizados para o biogs so os mtodos por absoro fsica e qumica devido aos bons resultados que apresentam mesmo com pouco escoamento, por ser uma tcnica que no necessita de treinamento para o seu manuseio, suas peas serem montadas com materiais mais simples e o preo gasto neste equipamento ser mais baratos em relao aos outros equipamentos (ZANETTE, 2009). 1.4. Converso do biogs em energia No mercado atual a disponibilidade de tecnologias para converter o biogs em energia muito vasta. A converso processa-se pela transformao de uma fonte de energia em outra (energia mecnica em eltrica), por combusto controlada e reao de queima ar e combustvel. As partculas do biogs se rompem e liberam a energia qumica, para ser convertida em energia mecnica, a qual ativa um gerador usado para lhe transformar em energia eltrica (COELHO, 2006a). Segundo Iclei (2009a), dos equipamentos disponveis no mercado para a converso do biogs em energia, os motores a combusto interna (Ciclo Otto) e as microturbinas so as tecnologias mais utilizadas. 1.4.1. Microturbinas As microturbinas so turbinas de pequeno porte que trabalham na faixa de 20 a 250 kW, com altas velocidades de rotao e com diversos tipos de combustvel. Para funcionar, o ar externo absorvido em alta velocidade e presso elevada no interior da microturbina e dentro deste equipamento misturado ao combustvel injetado na cmara de combusto, onde se realiza a reao de combusto. A reao controlada, o que favorece a mxima eficincia e os baixos nveis de emisso de gases do processo. Na exploso, geram-se gases de alta 25 presso que se expandem nas palhetas da turbina e os gases no utilizados so expelidos para fora do aparelho (POECORA, 2006). A figura 3 abaixo demonstra a estrutura e os componentes internos de uma microturbina. Figura 3. Vista lateral da estrutura interna e dos componentes de uma microturbina. Fonte: Adaptado de Monteiro, 2004 No decorrer dos tempos as microturbinas foram adaptadas das turbinas utilizadas nas indstrias aeroespacial e automobilstica, para serem empregadas em sistemas eltricos de potncia com uma diversidade de tecnologias disponveis no mercado atual (ICLEI, 2009a). Sallomon (2007) indica as principais vantagens de se utilizar microturbinas alimentadas a biogs, como: a. ocupa menos espao, por ter suas dimenses reduzidas quando comparado as turbinas e ao motor; b. equipamento de fcil instalao; c. pode ser acomodada em ambiente aberto ou fechado; d. capacidade de se adaptar a outros combustveis; 26 e. sistema capaz de operar com o biogs contendo concentraes de metano abaixo de 35%. Sem alterar a eficincia na produo de energia; f. trabalha normalmente em temperaturas de -10C a 45C; g. boa eficincia 30 a 33% (de acordo com o seu poder calorfico inferior - PCI); h. emite menor quantidade NOx (xido de azoto), abaixo de 9 ppm em microturbinas de 25 a 100KW ( baixa potncia); e at 100 ppm em potncias superiores; i. possibilita a implantao de sistemas de cogerao. De acordo com Sallomon (2007), apresenta as seguintes desvantagens: a. investimento inicial elevado, o equipamento importado; b. rendimento abaixo de 30%; c. no pas h pouca experincia de utilizao deste equipamento; d. os custos com manuteno e operao so elevados quando comparados aos de outras tecnologias; e. com o uso de rolamentos de ar, os custos com a manuteno so reduzidos, mesmo assim, necessria a utilizao de filtros de ar na microturbina; f. o biogs deve ter alto ndice de purificao, j que seu poder calorfico baixo, e deve-se adaptar a microturbina a esta condio. 1.4.2. Motor Ciclo Otto (combusto interna) O motor Ciclo Otto de combusto interna uma mquina trmica usada na converso do biogs, por combusto interna, acionada na ignio por centelha. Sua aplicao quando comparado a outras tecnologias mais elevado sendo este fato ocasionado pelo maior rendimento eltrico e o baixo custo em comparao com os equipamentos. O processo s ocorre quando os motores a diesel so convertidos em motor Ciclo Otto (Ottorizao) que recebe pequenas modificaes nos sistemas de alimentao, ignio e taxa de converso (ICLEI, 2010). A Figura 4 mostra um motor-gerador que utiliza biogs como combustvel para o seu acionamento e gerao de energia. 27 Figura 4. Grupo motor-gerador alimentado por biogs Ciclo Otto Fonte: Acervo do Autor A mistura de ar e combustvel necessria para a exploso injetada na parte interna do cilindro, onde se realizam o processo de combusto, obtendo-se com este o trabalho necessrio para movimentar o motor. A reao realiza-se em sucesses de dois ou quatro tempos. Quando realizada em quatro tempos emite menos gases poluentes com maior economia de combustvel, e para se realizar os quatro tempos o virabrequim completa duas voltas, ocorrendo uma exploso por cilindro em cada duas voltas (CMARA, 2003). A seguir, tem-se descrito os quatro tempos. No primeiro tempo, chamado de admisso, abre-se a vlvula de admisso, enquanto o pisto movimenta-se do Ponto Morto Superior (PMS) at o Ponto Morto Inferior (PMI), ao realizar este movimento exerce o aumento do volume interno do cilindro que abre a vlvula de admisso e injeta instantaneamente a mistura composta por ar e combustvel, preparada pelo sistema de alimentao, no seu interior. J no segundo tempo, nomeado de compresso, as vlvulas so fechadas, e o pisto retorna ao seu Ponto Morto Inicial (PMS). Ao realizar o movimento de retorno do PMI ao PMS o pisto comprime a mistura e reduz o volume interno do cilindro. 28 No terceiro tempo, o de combusto, antes de chegar ao PMS e com a vlvula fechada, a vela de ignio libera uma fasca que ocasiona a exploso da mistura que aumenta a presso interna, ao da expanso dos gases, e impulsiona o pisto para baixo seguindo em direo ao PMI. Por fim, no quarto tempo, o chamado escapamento, a vlvula de escape acionada, aps o pisto retornar do PMI ao PMS, e desloca-se para frente deixando uma abertura. O movimento do pisto base superior retira os gases de combusto que so liberados da cmara de combusto e passam pelo coletor de escapamento que os envia para fora do motor. Aps o trmino desta etapa inicia-se um novo ciclo sem interrupo, apenas se o motor for desligado. A Figura 5 demonstra as etapas que ocorrem no ciclo de quaro tempos em um morto Ciclo Otto. Figura 5. Sequncia do ciclo de combusto no interior da cmara de combusto Fonte: Pereira, 2006 J nos motores com funcionamento por dois tempos, a exploso ocorre a cada volta do virabrequim. Por apresentar uma caracterstica e construo simples o que reduz seu tamanho e custo, muito atraente utiliz-lo em veculos de pequeno porte como motocicletas, motoneta, motobombas, embarcaes, entre outros (CMARA, 2003). Dentre as vantagens do emprego destes equipamentos para a converso em energtico temos (ICLEI, 2009 b): a. gerao de energia eltrica para consumo prprio da estao de tratamento de esgoto; 29 b. venda do excedente para concessionrias de energia; indstria, comercio ou para a prpria cidade; c. economia com os custos provenientes das concessionrias; d. ganhos ambientais e econmicos com a venda de crditos de carbono; e. implantao de sistemas de cogerao e obteno de novos rendimentos. A oferta de motores a combusto interna, principalmente os de grande porte, no Brasil suprido geralmente pelas importaes, sendo de fabricao prpria apenas motores com potencial disponvel de at 230 kW. Este grupo motor-gerador composto pela juno do motor com o gerador, responsvel pela produo de energia eltrica, e o rendimento das partes chega a ser de aproximadamente 28%, para o motor, enquanto o gerador prximo de 80% (ICLEI, 2009 a). Iclei (2009 b) indica tambm como desvantagem: a. motores disponibilizados no mercado de 5 kW a 1,6 MW; b. emisso de xidos de nitrognio (NOx) um dos causadores do efeito estufa, a proporo de gs emitido na atmosfera pelo motor vai depender do seu tamanho e potncia, as emisses varia entre 250 e 3000 partes por milho(ppm). Estudos realizados e aplicados na Universidade de So Paulo (USP) a partir do projeto denominado Programa de Uso Racional de Energia e Fontes Alternativas (PUREFA), implantou um motor-gerador de 18 kW alimentado pelo biogs gerado no tratamento de esgoto do conjunto residencial da USP (CRUSP) e do principal restaurante da universidade, coletados e tratados por meio do processo de digesto anaerbia em um Reator Anaerbio de Fluxo Ascendente (RAFA) no Centro de Tecnolgico de Hidrulica (CTH) da USP. Este projeto teve como objetivo demonstrar que possvel produzir energia eltrica pela converso do biogs do esgoto, estimulando a produo de equipamentos no nosso pas para reduzir os custos com os mesmos e incentivar novas pesquisas, e demonstrar com estmulos que possvel produzir energia por meio de combustveis renovveis, como o biogs, em unidades consumidoras (COELHO, 2006b). 30 1.5. Cogerao Termo definido pela sigla em ingls CHP (Combined Heat and Power), e consiste na gerao de duas ou mais fontes de energia (trmica, mecnica, eltrica) a partir de um nico combustvel, tambm conhecido como gerao simultnea, combinada e distribuda de energia (BRASIL, 2005). A Figura 6 esquematiza o sistema de cogerao. Figura 6. Sistema de cogerao de energia Fonte: Adaptado de Brasil, 2005 O biogs torna-se rentvel, pelo fato de se gerar vantagens ao produzir energia ao mesmo tempo em que agrega valor a si prprio. A produo de energia trmica na forma de vapor uma aplicao que traz um retorno mais amplo se comparado com o uso do biogs somente para gerar energia eltrica, com eficincia de 20 a 50%, enquanto na cogerao a eficincia do processo chega a atingir 80%, ou seja, menos perda. O vapor, obtido pelos gases de escape da combusto ao aquecer gua, possibilita uma vasta rea de aplicao principalmente o aquecimento, refrigerao, e outras necessidades do processo na prpria rea de produo ou at mesmo canaliz-lo em tubos e comercializ-lo para indstrias e comrcios prximos da unidade cogeradora, obtendo-se para o projeto uma nova alternativa de lucrar com as vrias utilidades que este sistema proporciona ao reutilizar outra forma de energia (GONALVES, 2007). 31 1.6. Esgoto sanitrio O esgoto sanitrio ou esgoto recebe esta denominao por gerar graves impactos ao meio ambiente se no for adequadamente tratado. Formado por resduos de origem domstica, industrial ou comercial, composto basicamente por 99,9% de gua e 0,1% de slidos em suspenso, que so compostos por matria orgnica biodegradvel e inerte, nutrientes, microrganismos teis para a digesto e patognicos (AVELLAR, COELHO, ALVES, 2002). Segundo a Associao Brasileira de Normas Tcnicas (ABNT), na norma brasileira NBR 9648, esgoto sanitrio definido como guas residurias compostas pela juno de esgoto domstico, industrial, gua de infiltrao e a contribuio parasitria, que so enviados para as redes pblicas de coleta de esgoto. Nesta mesma norma, so definidos tambm os seguintes termos: a. esgoto domstico - gua potvel que quando utilizada pelo homem para hbitos higinicos e fisiolgicos tem suas caractersticas de consumo alteradas; b. esgoto industrial - gua potvel que aps sua utilizao nas etapas de produo industrial, tem suas caractersticas alteradas e no servem para consumo humano. A legislao impe os padres de lanamento pelas indstrias nas redes convencionais; c. gua de infiltrao - gua que resulta do prprio terreno (Subsolo) e infiltra nas canalizaes, so indesejveis para o sistema coletor; d. contribuio pluvial parasitria - parcela da gua proveniente das chuvas que escoam em uma determinada superfcie e absorvida pela rede pblica coletora de esgoto sanitrio; e. corpo receptor - curso de gua ou o solo que recebe o efluente final do tratamento de esgoto. 1.6.1. Nveis do tratamento de esgoto De acordo com Villen, 2001, para o tratamento de esgoto leva-se em considerao as caractersticas do resduo a ser tratado a quantidade de impurezas presente neste composto e 32 qual a sua disposio final. A qualidade do tratamento de esgoto depende de vrios fatores, tendo como principal fator o custo de implantao do tratamento a ser empregado. Ainda segundo o autor, o tratamento de esgoto pode ser dividido em quatro fases citados abaixo. A fase 1, chamada de tratamento preliminar, a etapa inicial, que tem por finalidade a remoo de slidos grosseiros e areia pela utilizao de mtodos fsicos, garantindo que as prximas etapas sejam realizadas. A fase 2, conhecida como tratamento primrio, visa remoo de slidos suspensos no resduo utilizando-se de mtodos fsicos, como a decantao ou a flotao, e tambm regula o pH e a temperatura do sistema. No tratamento secundrio, ou seja, fase 3, inclui o tratamento primrio e a utilizao de mtodos biolgicos (reaes bioqumicas), que objetivam a remoo da matria orgnica dissolvida e do restante de slidos em suspenso, obtendo-se um efluente com concentrao mnima de matria orgnica suspensa, neutralizao do pH e temperatura ambiente. Por fim, o tratamento tercirio, ou fase 4, objetiva a remoo de substncias que no so removidas pelo tratamento primrio e secundrio, objetiva-se a remoo de compostos como nitrognio, fsforo, metais pesados, substncias no biodegradveis, entre outras substncias txicas e agentes patognicos. As quatro fases esto esquematizadas na Figura 7. Figura 7. Diagrama de tratamento do esgoto Fonte: Villem, 2001, p.517 33 1.6.2. Principais sistemas de tratamento de esgoto 1.6.2.1. Fossas spticas A fossa sptica definida como sistema individual utilizado no tratamento de efluentes em reas desprovidas de servio pblico como residncias, condomnios residenciais, sitos, fazendas, e outros locais isolados. Conhecida como decanto-digestores, formada por uma cmara onde os processos naturais de sedimentao do lodo (formado por matria orgnica, massa biolgica e produtos qumicos) e digesto em ambiente anaerbio se realizam. Nesta digesto, o material orgnico convertido em biogs (CH4, CO2, H2S, H2O, O2, dentre outros.). Em relao ao tratamento convencional realizado nas estaes de tratamento de efluentes por lodos ativados, esse sistema seria considerado como o substituto dos decantadores primrios e em outros sistemas de tratamento um digestor de lodos (NUVOLARI, 2003). 1.6.2.2. Lagoas de estabilizao O sistema de tratamento por lagoas de estabilizao utiliza microrganismos naturalmente presentes no seu meio, sendo composto por diferentes tipos de tratamentos que as classificam em lagoa facultativa, sistema australiano, lagoa aerada facultativa, lagoa aerada de mistura completa e lagoa de maturao, sendo utilizado principalmente em pases de clima quente. Sua aplicao destinada ao tratamento de resduos com altas concentraes de matria orgnica e na remoo de organismos patognicos. Neste ultimo caso, a completa remoo de agentes patognicos, direcionado exclusivamente as lagoas de maturao. O tipo de lagoa a ser implantada vai depender da extenso do terreno prximo a fonte produtora de esgoto, topografia do terreno, proporo de resduos gerados no local, velocidade a ser tratado o efluente e a distncia entre o local de tratamento de esgoto e as fontes emissoras deste. A construo deste sistema de lagoas realizada de forma simples, sendo necessrio escolher o local de implantao e realizar a escavao na superfcie do terreno (formato de um tanque) ou fazer barragens em seu entorno. Aps concluir esta etapa, o fundo da lagoa deve ser compactado e coberto por borracha butlica, nas lagoas anaerbias, e uma camada 34 compactada de material argiloso ou revesti-la com geomembrana de PEAD (Polietileno de Alta Densidade). Estes materiais so utilizados para impermeabilizar o solo e evitar a infiltrao do esgoto nesta superfcie no contaminando as guas subterrneas e o corpo receptor (MATTOS, 2005; VON SPERLING, 1986). 1.6.2.2.1. Lagoas facultativas O tratamento de esgoto por lagoas facultativas (Figura 8/9) realizado por processos naturais, que torna este mtodo mais simples. A remoo de slidos nesta lagoa pode chegar a 90% e de Demanda Bioqumica de Oxignio (DBO) acima de 85%. A DBO demonstra a quantidade de oxignio consumido no resduo pela ao dos microrganismos na estabilizao da matria orgnica. Esses processos naturais so divididos em trs zonas dentro da lagoa: zona anaerbia, zona aerbia e zona facultativa. Quando o efluente despejado na lagoa, percorre certa distncia, que demora vrios dias, a matria orgnica suspensa neste efluente (DBO particulada) decanta pela ao da gravidade e acumula no fundo da lagoa, este acumulo denominado de lodo de fundo. Este decomposto pelas bactrias anaerbias (zona anaerbia) e convertido em partculas mais simples como CH4, CO2, CO, H2O, entre outros, restando apenas a matria no biodegradvel. Na zona aerbia (zona superficial), a matria orgnica dissolvida (DBO solvel) junto com a matria orgnica com menores propores (DBO finamente particulada) degradada pelas bactrias aerbias, e o oxignio consumido pelas bactrias fornecido pelo meio externo (atmosfera) e pela fotossntese realizada pelas algas, enquanto as bactrias fornecem CO2 necessrio para est reao. Quando o material orgnico se afasta da zona superficial e atinge a regio intermediria (zona facultativa), onde o oxignio presente em pouca quantidade ou quase ausente, as bactrias facultativas (sobrevivem tanto na ausncia como presena de oxignio) atuam na decomposio desta matria orgnica. Esse sistema de tratamento processa lentamente a estabilizao (15 a 20 dias) e para que a fotossntese seja efetiva, necessita de grandes reas para poder captar a maior quantidade de energia solar (MATTOS, 2005; VON SPERLING, 1986). 35 Figura 8. Representao dos processos naturais que ocorrem na lagoa facultativa Fonte: Adaptado de Von Sperling, 1986 Figura 9. Representao de um sistema de tratamento com lagoa facultativa Fonte: Mattos, 2005 1.6.2.2.2. Sistema australiano O sistema australiano (Figura 10-a e 10-b) consiste no conjunto de sistema de tratamento que utiliza lagoas anaerbias associadas com lagoas facultativas. Esta tcnica e 36 feita para reduzir a rea das lagoas facultativas, e possibilitar o tratamento do efluente em pequenas extenses. O efluente enviado para as lagoas anaerbias contm elevadas concentraes de matria orgnica, que so reduzidos em compostos particulados menores e passveis de serem decompostos por bactrias aerbias. Esta lagoa possui menor comprimento e maior profundidade (3 a 5 metros), dificultando a penetrao dos raios solares e a formao de algas na sua superfcie por falta de fotossntese. Com o tratamento por esta lagoa, alcana-se DBO de 50-70%, valor abaixo dos padres para lanamento em corpos de gua, porm, o efluente enviado para o prximo tratamento, a lagoa facultativa, segue com menor quantidade de material orgnico particulado o que matem a eficincia do tratamento realizado nesta lagoa mesmo com as dimenses reduzidas (MATTOS, 2005; VON SPERLING, 1986). Figura 10-a. Representao de um sistema de tratamento com sistema australiano: lagoa anaerbia em conjunto com lagoa facultativa Fonte: Adaptado de Von Sperling, 1986 Figura 10-b. Representao de um sistema de tratamento com sistema australiano: lagoa anaerbia em conjunto com lagoa facultativa Fonte: Mattos, 2005 37 1.6.2.2.3. Lagoas aeradas facultativas Nas lagoas aeradas facultativas o suprimento de oxignio no tem origem natural, pelas algas, artificialmente produzido por aeradores mecnicos, que um mecanismo utilizado para reduzir s dimenses da lagoa e acelerar a decomposio da matria orgnica, quando comparada com a lagoa facultativa normal. A estrutura deste equipamento composta por uma turbina rotativa de eixo vertical colocada na superfcie da lagoa (mais utilizado), quando acionada a rotao das ps com grande velocidade, provocam o turbilhonamento que facilita a entrada de oxignio atmosfrico no meio, que proporciona a oxigenao da massa lquida presente neste meio. Entretanto, o oxignio obtido pelos aeradores no realiza a manuteno dos slidos e microrganismos suspensos na massa lquida, o que ocasiona a decantao e a formao do lodo de fundo que degradado por bactrias anaerbias, idntico ao processo realizado na lagoa facultativa (MATTOS, 2005; VON SPERLING, 1986). 1.6.2.2.4. Lagoas aeradas de mistura completa seguidas por lagoa de decantao Nas lagoas aeradas de mistura completa (Figura 11-a e 11-b) seguidas por lagoas de decantao os mecanismos de aerao so os mesmo da lagoa aerada facultativa, mas difere-se apenas no turbilhamento (mais elevado) realizado pelas ps que suficiente para manter as partculas suspensas, composta pelos microrganismos e a matria orgnica, e dispersas na lagoa. Com este material orgnico disperso em maior quantidade no meio, a eficincia na remoo de DBO aumenta, obtendo-se a reduo deste material orgnico em maior proporo quando comparado ao sistema de lagoa aerada facultativa. Mesmo assim, o esgoto que sai desta lagoa ainda contm grandes quantidades de matria orgnica no estabilizada que enviado para a lagoa de decantao, depositado no fundo do decantador, aps a remoo das impurezas o efluente segue para o corpo receptor (MATTOS, 2005; VON SPERLING, 1986). 38 Figura 11-a. Representao do sistema de lagoas aeradas de mistura completa seguida por lagoa de decantao Fonte: Adaptado de Von Sperling, 1986 Figura 11-b. Representao do sistema de lagoas aeradas de mistura completa seguida por lagoa de decantao Fonte: Mattos, 2005 1.6.2.2.5. Lagoas de Maturao As lagoas de maturao so projetadas exclusivamente para a remoo de agentes patognicos, como bactrias, vrus, cistos de protozorios e ovos de helmintos. Nos processos mencionados anteriormente, h uma aceitvel remoo destes patgenos, porm, a maior parcela da remoo ocorre nas lagoas de maturao. Este sistema considerado como um ps-tratamento do efluente, pelo motivo de ser implantada (vrias lagoas ou apenas uma) aps qualquer variante do sistema de tratamento por lagoa de estabilizao ou, no sentido mais amplo, depois de qualquer sistema de tratamento de esgoto sanitrio. Suas dimenses so 39 reduzidas quando comparado aos outros sistemas de tratamento, possui pouca profundidade (0,8 a 1,5 metros) para proporcionar maior penetrao da radiao solar ultravioleta. Outras condies ambientais adversas ocasionadas no processo naturalmente, e de extrema importncia, a elevao do pH e o oxignio dissolvido (conhecido pela abreviao OD, responsvel por indicar a quantidade de oxignio dissolvido num determinado corpo de gua), reduo da temperatura, falta de nutrientes e predao entre organismos diferentes, dentre outras condies que favorecem a remoo desses organismos patognico. Comparado aos mtodos de desinfeco que se utiliza de agentes qumicos, usualmente utilizados na remoo dos patgenos, como a clorao e outros mtodos de desinfeco, as lagoas de maturao representam maior economia, considerando a reduo dos gastos com os mesmos (VON SPERLING, 1986). A figura 12 representa a utilizao das lagoas de maturao em srie aps o sistema de tratamento realizado com o sistema australiano. Figura 12. Representao do sistema australiano seguido por lagoa de maturao em srie Fonte: Adaptado de Von Sperling, 1986 1.6.2.3. Lodos ativados No sistema de tratamento por lodos ativados o processo de estabilizao da matria orgncia ocorre pela ao de microrganismos aerbios. Este sistema composto basicamente por um tanque de decantador primrio, tanque de aerao prolongado e um decantador secundrio sendo mais eficiente do que as lagoas de estabilizao e necessitam de reas 40 menores para sua construo em relao s mesmas. Os sistemas utilizados no tratamento de lodos ativados variam muito dentre os mais utilizados temos o tratamento por sistemas convencionais, aerao prolongada e de fluxo intermitente (ICLEI, 2010). Dentre os sistemas tm-se os descritos a seguir. 1.6.2.3.1. Lodos ativados convencional No sistema de lodos ativados convencional (Figura 13) o tratamento feito em tanques de concreto diferente dos realizados pelas lagoas de estabilizao, que so feitos em tanques escavados ou feito em valas e compactados com materiais que impermeabilizam o solo. Nesse tratamento visa-se manter a massa microbiana e a matria orgnica em conjunto dentro de uma lagoa de aerao prolongada possibilitando o maior contato entre os compostos, favorecendo a decomposio pelos microrganismos aerbios. Antes desta etapa, o esgoto passa pelo decantador primrio que remove grande parte do material orgnico (lodo), o que reduz a aerao e o consumo de energia. No sistema de aerao, o lodo do esgoto, aps o tratamento aerbio, enviado para os decantadores secundrios e recircula, com utilizao de bombas, para o tanque de aerao com o objetivo aumentar a concentrao e o tempo de contato da biomassa bacteriana com a matria orgnica. Desta forma, o tempo de reteno reduzido (6 a 8 horas) e o tamanho do tanque (ICLEI, 2010; MATTOS, 2005). Figura 13. Representao do sistema de tratamento por lodos ativados convecional Fonte: Mattos, 2005 41 1.6.2.3.2. Lodos ativados por aerao prolongada Os lodos ativados por aerao prolongada um sistema onde o lodo permanece mais tempo, de 20 a 30 dias, do que nos sistemas convencionais, de 4 a 10 dias, o que aumenta o tamanho dos tanques de aerao. Com o aumento do tempo, e conseqente reduo da carga orgnica e consumo do material celular pelas prprias bactrias, o lodo retirado desta lagoa j sai estabilizado, no sendo necessrios processos subsequentes (decantador primrio) para estabiliz-lo. A remoo da DBO mais alta neste sistema devido ausncia de alimentos, mas o consumo de energia maior, devido ao tempo de funcionamento dos aeradores que mais longo do que nos sistemas convencionais (ICLEI, 2010; MATTOS, 2005; VON SPERLING, 2002). 1.6.2.3.3. Lodos ativados de fluxo intermitente Os lodos ativados de fluxo intermitente permitem um tratamento por sistemas intermitentes que consiste no tratamento contnuo do efluente em batelada, onde todas as etapas do tratamento convencional so realizadas dentro de um nico tanque de aerao. Neste tanque so realizadas as reaes de decantao com formao do lodo de fundo (aparelhos desligado), e a reao (aparelhos ligados). O efluente entra no aparelho e os aparelhos agitam a mistura (turbilhamento) fornecendo oxignio para as bactrias, que decompe a matria orgnica (ICLEI, 2010; MATTOS, 2005). 1.6.2.4. Reator anaerbio de fluxo ascendente Equipamento conhecido no Brasil como Reator Anaerbio de Fluxo Ascendente (RAFA), apresentado na Figura 14, tambm possui outras denominaes como Digestor Anaerbio de Fluxo Ascendente (DAFA), Reator Anaerbio de Leito Fluidificado (RALF), Reator Anaerbio de Fluxo Ascendente Atravs de Leito de Lodo (RAFAALL) ou Reatores de Manta de Lodo, denominado mundialmente pelo termo em ingls UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors). No interior deste equipamento os microrganismos 42 anaerbios se desenvolvem e dispersam no meio, o esgoto entra pela parte inferior em sentido ascendente e passa pela zona de digesto no caminho a matria orgnica decomposta em meio anaerbio, as reaes ocorridas convertem os compostos orgnicos em biogs (CH4, CO2, CO, entre outros) e os slidos estabilizados. As molculas gasosas tm a funo de arrastar a matria orgnica para a parte superior do equipamento que apresenta um dispositivo capaz de separar as fases slida, lquida e gasosa, e faz retornar a massa microbiana para a base, enquanto o biogs enviado para o topo deste e encaminhado para a parte exterior por tubulaes conectadas ao prprio reator. Se a quantidade de biogs produzido muito elevada, possvel utiliz-lo como combustvel na prpria estao de tratamento para gerao de energia eltrica e trmica, em poucas vazes deve ser queimado antes de lan-lo na atmosfera, reduzindo os impactos causados ao meio ambiente pela reduo dos gases causadores do efeito estufa. O efluente do reator, aps o tratamento, no pode ser lanado diretamente no corpo receptor, por apresentar ainda grandes concentraes de DBO, mesmo aps o tratamento e algumas caractersticas (odor, cor, altas concentraes de nutrientes) que ainda o torna contaminante. Para que este efluente possa seguir para o corpo hdrico, necessrio realizar um tratamento secundrio associado com o reator. Este pode ser realizado por uma lagoa facultativa e outros tratamentos mais eficientes para remoo dessa DBO (MATTOS, 2005). Figura 14. Representao do sistema com reator RAFA seguido por lagoa facultativa Fonte: Mattos, 2005 43 1.7. Agentes patognicos So organismos (bactrias, vrus, cistos de protozorios e ovos de helmintos), microscpicos ou no, de origem entrica, que se adentram no esgoto atravs dos dejetos expelidos por indivduos enfermos (NUVOLARI, 2003). Dentro do corpo humano, principalmente no trato intestinal, estes organismos patognicos encontram o ambiente ideal para se estabelecer, alimentar e proliferar. Quando expelidos desse corpo, na rede coletora de esgoto, nos sistemas de tratamento ou diretamente no corpo receptor, esses organismos tm predisposio a morrer. Algumas condies favorecem a remoo destes agentes, entre elas, temos a radiao solar ultravioleta, o pH, carncia de alimentos, organismos predadores, rivalidade entre espcies, presena de substncias txicos no efluente e, a ocorrncia de fenmenos naturais como a sedimentao. Estes fenmenos naturais ocorrem principalmente nas lagoas de maturao (pgina 38 deste trabalho), que so responsveis por remover, dependo do agente, concentraes aproximadamente ou at 100% destes (VON SPERLING, 1986). Bertoncini (2008), afirma que esses organismos so responsveis por disseminar enfermidades de veiculao hdrica, utilizando-se para isso, os corpos receptores poludos pelas guas residuais, quando no tratadas adequadamente, que contaminam outros indivduos, culturas, reservatrio subterrneo de gua e corpos de guas destinados ao abastecimento humano. Para se determinar o grau de contaminao da gua por esgoto, utilizam-se como indicadores alguns dos organismos presentes no prprio corpo de gua, como exemplo, os Coliformes Totais e Fecais. No esgoto domstico sem tratamento, a concentrao de coliforme ultrapassa a marca de 3,0 milhes de coliformes termotolerantes em 100 mililitros do mesmo. J o esgoto sanitrio apresenta elevadas taxas desses agentes em seu meio. Dentre os vermes parasitas (nematelmintos e platelmintos) e os protozorios presentes neste efluente tm-se como exemplos os descritos abaixo. a. Ancilstomo (figura 15-a) cientificamente conhecida como Ancylostoma duodenale, responsvel por causas a ancilostomose, molstia denominao vulgarmente como amarelo; b. Lombriga (figura 15-b) ou Ascaris lumbricoides, causa a doena conhecida como ascaridase; 44 c. Tnia (15-c) o agente etiolgico responsvel pela doena conhecida como tenase, suas principais representantes so a Taenia solium (porco o hospedeiro) e a Taenia saginanta (boi o hospedeiro), o homem torna-se o hospedeiro definitivos deste patgeno; d. Girdia (15-d) o agente etiolgico protozorio denominado como Giardia sp. Este organismo e responsvel por causar a enfermidade denominada giardase. A autora ainda descreve as principais espcies de agentes causadores de doenas bacterianas e virais presentes nos efluentes sanitrios, como salmonelas e o Vibrio cholerae, representantes das bactrias, que causam respectivamente diarria e clera, e algumas espcies virais como o vrus da hepatite A - HAV e hepatite E - HEV, reovirus, rotaviros humano, norovrus, astrovrus humano, que sequencialmente causam a hepatite infecciosa, infeco respiratria, e os trs ltimos, causam gastroenterite. No ambiente, principalmente no solo e guas subterrneas, esses agentes podem sobreviver por longos perodos (meses e at anos), o que demonstra a importncia de se utilizar mtodos de desinfeco e tratamento dos efluentes produzidos na cidade e no campo. A figura 15 apresenta os principais organismos patognicos presentes no esgoto sanitrio. Figura 15. Principais agentes patognicos presentes no esgoto sanitrio Fonte: Bertoncini, 2008 45 2. METODOLOGIA 2. 1. Informaes tcnicas sobre o tratamento de esgoto dos municpios de Araatuba, Birigui e Santo Antnio do Aracangu As informaes coletadas nos municpios de Araatuba, Birigui e Santo Antnio do Aracangu foram obtidas por preenchimento do questionrio elaborado (Apndice A) e enviado aos representantes de cada municpio. 2.2. Mtodo para a determinao da Estimativa de Biogs produzindo pelo tratamento de efluentes dos municpios avaliados 2.2.1. Software biogs gerao e uso energtico programa para a estimativa de gerao de biogs e avaliao de recuperao e uso energtico O programa de computador Biogs Gerao e Uso Energtico foi desenvolvido perante um convnio firmado em 26 de dezembro de 2001, entre o Governo do Estado de So Paulo, representado pela Secretaria do Meio Ambiente e pela Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental CETESB, e do Governo Federal, representado pelo Ministrio da Cincia e Tecnologia. Este programa tem por objetivo a elaborao de manuais que orientam para a recuperao e uso energtico do biogs produzido em estaes de tratamento anaerbio de efluentes domsticos, comerciais, industriais, rurais e em aterros sanitrios (CETESB, 2006). A tela inicial do programa (Figura 16) para simulao do potencial de biogs exibe trs opes sobre como utilizar o projeto para estimar a produo de biogs de esgoto. A primeira opo novo projeto (para o desenvolvimento de novas pesquisas); a segunda opo abrir projeto (para visualizar projetos que j foram elaborados no programa); e a terceira opo sair (se o usurio desejar sair da pgina inicial do programa). 46 Figura 16. Pgina inicial do programa simulador de potencial de biogs no efluente Fonte: Programa Biogs Gerao e Uso Energtico, 2011 Sendo assim, a opo escolhida foi a primeira: novo projeto. Aps esse procedimento uma nova janela abriu-se (Figura 17) onde se visualizou um ndice indicando as fases de elaborao do projeto. Figura 17. Pgina do programa com o ndice para elaborao do projeto Fonte: Programa Biogs Gerao e Uso Energtico, 2011 47 Para a o clculo da estimativa do potencial de produo de biogs de esgoto sanitrio utilizou-se apenas os trs primeiros tpicos do ndice: a. caractersticas da ETAE; b. estimativa de gerao de biogs na ETAE entrada de dados; c. estimativas de gerao de biogs na ETAE resultados. Os prximos tpicos podem ser utilizados para a elaborao de um projeto e do relatrio sobre as informaes obtidas no estudo para posterior implantao do mesmo. Numa terceira etapa preencheu-se obrigatoriamente de alguns itens sobre a estao de tratamento de esgoto a ser avaliada na interface Caractersticas da ETAE. Informou-se ao programa as seguintes caractersticas da estao de tratamento localizao estao de tratamento como nome da unidade, estado e cidade (Figura 18). Figura 18. Pgina do programa com as caractersticas da ETAE Fonte: Programa Biogs Gerao e Uso Energtico, 2011 Confirmou-se os dados na clula Ok e iniciou-se a prxima fase na interface Estimativa de biogs na ETAE (Figura 19). 48 Figura 19. Pgina do programa para o calculo da estimativa de gerao de biogs Fonte: Programa Biogs Gerao e Uso Energtico, 2011 Para estimar a produo de biogs, selecionou-se no item Medio direta do biogs na ETAE a opo Estimativa por material total. No item Perodo do projeto preencheu-se a clula Ano de incio com 2011 e a clula Ano final com 2012. Tambm selecionou-se na opo Fonte a matria orgnica de origem para produo do biogs que no caso foi Esgoto urbano e, automaticamente, o programa solicita quantidade de habitantes, que no exemplo acima, foi da cidade de Araatuba segundo o IBGE (2011). Sendo assim, os dados referentes matria total (Mt), produo de biogs (Pb) e a concentrao (Conc) so desconhecidas o programa fornece dados padres para o clculo ao selecionar o cone Valores sugeridos. Sendo assim, na Figura 19 tem-se o resultado do clculo da estimativa de gerao de biogs do tratamento de efluente selecionado e a vazo de metano por ms gerado pelo esgoto urbano (Qi). Antes da etapa final deve-se escolher o item Vazo (Figura 20), abriu-se uma janela denominada Linha de base (taxa de combusto) para preenchimento das clulas Linha de base de queima (%), Energia eltrica evitada (tCO2/Mhevit) - pela reduo da utilizao de energia no renovvel e posterior reduo nas emisses de gases de efeito estufa- e Eficcia na queima do biogs (%) - levando em considerao a quantidade de CO2 e umidade 49 presentes no biogs. Como os dados no eram conhecidos, selecionou-se Valores sugeridos para realizao do clculo. Figura 20. Pgina referente ao clculo de vazo e potncia do biogs Fonte: Programa Biogs Gerao e Uso Energtico, 2011 Concludo o resultado da linha de base, o programa apresentou todos os dados das fases anteriores fornecidos em forma de grfico, no qual indicado a vazo por ms de metano produzido no perodo determinado (2011-2012), como demonstrado na Figura 21. Figura 21. Pgina contendo a representao grfica da vazo por ms de metano Fonte: Programa Biogs Gerao e Uso Energtico, 2011 50 O programa tambm permite estimar o potencial energtico gerado a partir da converso e utilizao do metano como energia eltrica, definir os equipamentos a serem utilizados nos locais onde se realizou o estudo, estimar os ganhos com crditos de carbono, entre outros, e no final possvel gerar o relatrio do projeto. 51 3. RESULTADOS 3. 1. Quantidade de habitantes por municpio O Grfico 1 demonstra a quantidade de habitantes nos permetros urbanos e rurais, segundo dados do IBGE (2011), em cada municpio onde se realizou a pesquisa de coleta de dados. Os municpios de Araatuba e Birigui apresentam uma populao de 181.579 e 108.728 habitantes, respectivamente, enquanto Santo Antnio do Aracangu (mais os distritos de Vicentinpolis, Major Prado e a zona rural), 7.626 habitantes. Grfico 1. Quantidade de habitantes em cada municpio 3. 2. Volume de esgoto produzido por municpio O volume de esgoto produzido nas cidades de Santo Antnio do Aracangu e Birigui representam 67%, na faixa de 1000 a 20.000 m/dia de esgoto, e apenas a cidade de 52 Araatuba, que representa 33%, produz um volume de 40.000 a 60.000 m/dia de esgoto (Grfico 2). Grfico 2. Volume de esgoto produzido nas cidades analisadas 3. 3. Coleta e tratamento de esgoto nas cidades O Grfico 3 mostra que, de 100% do esgoto coletado pela cidade de Santo Antnio do Aracangu, apenas 75% tratado, enquanto nas cidades de Araatuba e Birigui, dos 100% do esgoto coletado, 98% tratado e o restante do esgoto, 2%, perdido por infiltrao nas redes coletoras. Grfico 3. Porcentagem de coleta e tratamento de esgoto nas cidades analisadas 53 3. 4. rgos responsveis pelo tratamento de esgoto nas cidades avaliadas O Grfico 4 demonstra que em 67% das cidades analisadas (Birigui e Santo Antnio do Aracangu), o tratamento de guas residurias realizado pela prefeitura, j os 33% representa as empresas responsveis por tratar o esgoto da cidade de Araatuba. De 100% do esgoto de Araatuba, 80% do volume tratado pela Estao de Tratamento de Esgoto de Araatuba administrada pela Saneamento Araatuba (SANEAR) e os 20% restantes pelo Departamento de gua e Esgoto de Araatuba (DAEA). Grfico 4. rgos responsveis pelo tratamento de esgoto das cidades avaliadas 3. 5. Nmero de estaes de tratamento de esgoto nas cidades avaliadas O Grfico 5 apresenta que duas das cidades analisadas, Birigui e Santo Antnio do Aracangu, 67%, no tm estao de tratamento de esgoto e apenas Araatuba, 33%, tem uma estao de tratamento de esgoto instalada na cidade. 54 Grfico 5. Nmero de estaes de tratamento de esgoto nas cidades avaliadas 3. 6. Sistemas de tratamento de esgoto utilizado nas cidades avaliadas Dos tratamentos realizados nas cidades, 33% so representados pela cidade de Araatuba, que utiliza o sistema de tratamento por lodos ativados (80% do esgoto) e por lagoas de estabilizao (18-20% do esgoto), as outras cidades, que representam 67%, utilizam-se de lagoas de estabilizao para realizar o tratamento do esgoto (Grfico 6). Grfico 6. Sistemas de tratamento de esgoto nas cidades avaliadas 55 3. 7. Destino final da gua residual nas cidades avaliadas Das cidades analisadas, Santo Antnio do Aracangu e Araatuba (67%) tm como destino final da gua residual, respectivamente, o crrego da Mata e ribeiro Baguau, que depois desguam no rio Tiet. Na cidade de Birigui (33%) a gua residual vai diretamente para o rio Tiet (Grfico 7). Grfico 7. Destino final da gua residual das cidades avaliadas 3. 8. Aplicao do lodo nas cidades avaliadas O lodo destinado para o aterro sanitrio em duas das cidades avaliadas, Araatuba e Birigui, 67%, e no descartado apenas pela cidade de Santo Antnio do Aracangu, representada por 33%, devido ao tipo de tratamento utilizado. Grfico 8. Aplicao do lodo nas cidades avaliadas 670 0330020406080100Aterros SantriosAterros Especficos para LodoAdubo No Utiliza o LodoOutros%Aplicao do lodo Araatuba e Birigui Santo Antnio do Aracangu 56 3.9. Tratamento do lodo de esgoto nas cidades avaliadas Nas cidades avaliadas, 63%, Birigui e Santo Antnio do Aracangu, no realizam o tratamento do lodo, isso ocorre devido o tratamento ser por sistemas anaerbios. Na cidade de Araatuba, 33%, realizam-se o tratamento do lodo por espessamento e desaguamento, feito pela Sanear. Figura 9. Tratamento do lodo de esgoto nas cidades avaliadas 3.10. Tratamento da gua residual nas cidades avaliadas A desinfeco dos efluentes aps o tratamento, no realizado em nenhuma das cidades avaliadas, 100%, pois em algumas destas cidades, por exemplo, Araatuba, o corpo receptor de classe 4 ( destinado para navegao, harmonia paisagsticas e utilizaes menos exigente). Esta classe, estabelecida pela resoluo CONAMA 357/2005, determina a qualidade da gua, controle de poluio, suas caracterstica e aplicabilidade (ANA, 2011). 57 Grfico 10. Desinfeco da gua residual nas cidades avaliadas 100020406080100Cloro Oznio (Oznio/Perxido de hidrognio)Dixido de Cloro Outros TratamentosNo recebe Tratamento%Mtodos de DesinfecoDesinfeco da gua Residual3.11. Anlise da gua residual nas cidades avaliadas Nas cidades avaliadas, 63%, Birigui e Santo Antnio do Aracangu, no realizam analise do efluente aps o tratamento, mas apenas 33%, Araatuba, analisa as condies da gua residual (efluente), e esta anlise realizada pela Sanear, e periodicamente pelo DAEA. Grfico 11. Analise do esgoto efluente aps o tratamento 58 3.12. Nmero de indstrias que enviam resduos para a rede coletora de esgoto nas cidades avaliadas O envio de resduos das indstrias ao esgoto das cidades feito apenas na cidade de Araatuba, 33%, e so duas as indstrias. Estas indstrias seguem as normas estabelecidas pelo art. 19-A do Decreto Estadual 8.468, de 08 de Setembro de 1976, responsvel por deliberar as condies necessrias para se lanar os efluentes de qualquer fonte poluidora na rede pblica de coletora de esgoto (CETESB, 2011b). Nas cidades de Birigui e Santo Antnio do Aracangu, o esgoto, no recebe nenhum resduo das indstrias. Grfico 12. Quantidade de indstrias que enviam resduos para a rede coletora de esgoto nas cidades avaliadas. 3.13. Estimativa a quantidade de biogs produzido nas cidades de Araatuba, Birigui e Santo Antnio do Aracangu por meio do programa Biogs Gerao e Uso Energtico Com a utilizao dos dados foi possvel obter as seguintes estimativas expressas na Tabela 4. 59 Tabela 4. Estimativa de produo de biogs pelo programa biogs gerao e uso energtico nas cidades de Araatuba, Birigui e Santo Antnio do Aracangu Os resultados obtidos pelo Programa Biogs Gerao e Uso Energtico descrito na tabela anterior, so expressos a seguir em forma de grficos (Grficos 13/14 15 e 16) que indicam a vazo de biogs nas cidades de Araatuba, Birigui e Santo Antnio do Aracangu, respectivamente, durante o perodo de doze meses. Grfico 13. Vazo de metano na cidade de Araatuba Fonte: Programa Biogs Gerao e Uso Energtico, 2011 Cidades Estimativa de produo de biogs (m/ms) Araatuba 731.736,269 Birigui 438.136,433 Santo Antnio do Aracangu 30.735,672 60 Grfico 14. Vazo de metano na cidade de Araatuba Fonte: Programa Biogs Gerao e Uso Energtico, 2011 Grfico 15. Vazo de metano na cidade de Birigui Fonte: Programa Biogs Gerao e Uso Energtico, 2011 61 Grfico 16. Vazo de metano na cidade de Santo Antnio do Aracangu Fonte: Programa Biogs Gerao e Uso Energtico, 2011 62 4. DISCUSSO A partir dos resultados obtidos com a aplicao do questionrio do trabalho de graduao na cidade de Araatuba, Birigui e Santo Antnio do Aracangu, foi possvel demonstrar as condies de coleta, tratamento e disposio final do esgoto sanitrio e do lodo resultante deste tratamento. As cidades onde se realizaram os estudos possuem quantidades populacionais diferentes, portanto, a produo de esgoto tambm vria em cada uma. importante destacar que a coleta de esgoto na maioria das cidades realizada pela prefeitura e nas trs cidades citadas 100% deste esgoto coletado e enviado para o tratamento, visto que nos 2.495 municpios brasileiros, em 2008, no h rede coletora de esgoto, e somente uma cidade no estado de So Paulo faz parte deste ndice (IBGE, 2010). Segundo Arajo (2003), a produo de esgoto domstico determinada pelo consumo de gua de abastecimento, sendo o seu volume utilizado para estimar a quantidade de esgoto gerado. A proporo de esgoto tambm depende dos costumes de cada habitante, sendo usualmente utilizado a taxa de consumo per capita de gua, igual a 200L/hab.dia, para determinar a taxa de guas residurias produzida por pessoa. Ainda mais, esse valor pode sofrer alteraes em cidades localizadas em outros pases, que pode ser de trs a quatro vezes maiores que o valor estabelecido, obtendo-se um resduo com maior concentrao de gua devido ao seu elevado consumo. A Tabela 5 compara a produo real de esgoto nas cidades e a produo terica nas mesmas, utilizando-se da taxa de consumo per capita de gua por habitante/dia citado no pargrafo anterior, que determina a produo de esgoto. Tabela 5 Produo real e terica de esgoto nas cidades 1 Resultado obtido na multiplicao do consumo per capita de gua por dia (200L/hab.dia), pela quantidade de habitantes de cada cidade avaliada. Com este clculo, possvel determinar a quantidade terica de esgoto produzido nas cidades. Cidades Produo Real de Esgoto (m/ms) Produo Terica de Esgoto (m/ms) Araatuba 1.466.400 1.089.4741 Birigui 504.000 652.3681 Santo Antnio do Aracangu 40.714,2 45.7561 63 Um dado importante na Tabela 5 que a cidade de Araatuba tem uma produo de esgoto acima da produo terica, com a taxa de consumo de gua acima da estipulada por habitante dia. Em destaque as cidades de Birigui e Santo Antnio do Aracangu, que consomem menos gua e produzem menos esgotos. Outra questo importante o tratamento realizado pelas prefeituras em alguns delas o tratamento de esgoto chega a aproximadamente 98% do esgoto, Araatuba e Birigui, e na cidade de Santo Antonio do Aracangu (junto com os distritos) chega a 75%, os 25% no tratados referente eficincia dos sistemas utilizados nos distritos. O tratamento e coleta do esgoto sanitrio realizado nestas cidades so importantes para garantir a sade o bem estar da populao e a preservao dos recursos naturais (OPAS, 2011). Duas das cidades avaliadas realizam o tratamento do esgoto por lagoas de estabilizao e, somente Araatuba utiliza o tratamento por lodos ativados de aerao prolongada, 80% do esgoto produzido, e lagoas de estabilizao que trata de 18 a 20% do esgoto produzido. Das tecnologias disponveis para o tratamento de esgoto, as mais utilizadas no nosso pas so os sistemas de tratamento por lagoa de estabilizao e as variveis do processo de tratamento por lodos ativados, principalmente os mtodos por aerao prolongada e por filtros biolgicos (CETESB, 2006). Nos tratamentos de esgoto so produzidas lodo (matria orgnica e biomassa bacteriana), a maioria das cidades envia o lodo para aterros sanitrio. A produo do lodo vai depender do tipo de tratamento utilizado, nas lagoas de estabilizao o lodo no precisa ser retirado devido a sua estabilizao pelas bactrias anaerbias. Os tratamentos que produzem uma grande quantidade de lodo so os sistemas empregados em grandes ETE como lodos ativados convencionais, reatores anaerbios (RAFA, DAFA, UASB) e filtros biolgicos (informao por e-mail).2 O descarte do lodo em aterros sanitrios uma das tcnicas mais utilizadas para recepcionar esta matria orgnica, porm, novas modalidades esto surgindo dentre estas a utilizao do lodo (biosslido) direta ou indiretamente por compostagem, obtendo-se fertilizante orgnico adicionado na agricultura e reflorestamento, e na construo civil empregado para fabricao de tijolos, cermicas e agregados leves para cimento, entre outros (SILVA et al, 2004). 2 Resumo da afirmao, enviada por e-mail, em 27 de fevereiro de 2011, pelo Prof. Dr. Ariovaldo Nuvolari da Faculdade de Tecnologia de So Paulo (FATEC-SP), esclarecendo a pergunta feita (e-mail) por Carlos Alexandre Calcio da Silva, sobre as opes de tratamento de esgoto, em 25 de fevereiro de 2011. 64 Um bom exemplo da utilizao do biosslido (lodo) realizado na estao de tratamento de esgoto da Sabesp de Franca, interior de So Paulo, onde este composto desenvolvido e aplicado no plantio de caf, banana e no reflorestamento. A utilizao deste biosslido no recomenda no plantio de alimentos consumidos crus pelo ser humano ou culturas que entram em contato direto com o mesmo, como as hortalias (SABESP, 2011). Os resultados tambm revelam que aps o tratamento a gua residual destinada na maioria das cidades para crregos e ribeires, que desguam no rio Tiet. Se o tratamento do esgoto no for realizado adequadamente, quando lanado nos corpos receptores (rio, crrego, ribeiro, etc.), compromete o abastecimento de gua das cidades que as captam destes corpos de gua, que contm o esgoto diludo, aumenta os custos com o tratamento de gua ou a captao de gua de outros locais mais distantes (IBIOSFERA, 2011). A produo de biogs estimado pelo programa biogs Gerao e Uso Energtico indica que possvel recuperar o biogs para fins energticos, sendo que 1 m de biogs equivalente a 6,5 kWh de energia produzida (DEUBLEIN e STEINHAUSER, 2008). Podemos destacar que outra vantagem associada recuperao do biogs, a diminuio dos gases poluentes. Com a reduo da emisso na atmosfera dos gases causadores do efeito estufa (GEE) e aquecimento global no nosso planeta, documentos que certificam por meio de crditos de carbono esta reduo podem ser emitidos aos seus responsveis. Ao utilizar-se destes documentos, permitido ao detentor do mesmo, poluir. Isso se procede da seguinte forma: os pases desenvolvidos pagam pela aquisio do direito de poluir de outros pases, em desenvolvimento, investindo nos seus projetos. Os documentos que certificam este procedimento, crdito de carbono, foram criados no mbito do protocolo de Kyoto, protocolo outorgado em 1997, na conferncia de Kyoto, Japo, determina o compromisso dos pases membros (39 pases), segundo anexo I do protocolo, a mitigar ou diminuir as emisses dos gases causadores do efeito estufa a 5,2% at 2012, gases como CO2, CH4, xido Nitroso (N2O), clorofluorcarbono (CFC), e outros destes listados nesse documento (PECORA, 2006; SALOMON, 2007). O mecanismo de desenvolvimento limpo (MDL) originou-se nesse protocolo, como auxilio para que todos os pases pudessem cumprir seus objetivos. Sua principal meta exigir das naes desenvolvidas a reduo das emisses de gases poluentes e fomentar o desenvolvimento sustentvel. Utilizando-se para essa finalidade, recursos financeiros para a elaborao de projetos, e aplicao destes recursos em novas tecnologias limpas, eficientes, e 65 de fontes renovveis, como o biogs. Esses recursos so administrados por esses pases desenvolvidos que escolhem a melhor forma de aplic-los e como atingir seus objetivos. Nesse mecanismo so gerados os Certificados de Redues de Emisses (CERs), pelos pases em desenvolvimento, no componentes do anexo I, que negociam com as naes desenvolvidas, est modalidade conhecido como mecanismo de flexibilizao. Os projetos desenvolvidos nesse mecanismo esto voltados s atividades de reflorestamento, gerao de energia limpa e renovvel, de transportes menos poluentes e tratamento de resduos, dentre outros projetos que visem reduzir as emisses de gases causadores do efeito estufa, seguindo os conceitos de sustentabilidade (PECORA, 2006; SALOMON, 2007). No ranking dos pases com o maior potencial para implantar projetos voltados gerao de crditos de carbono o Brasil obteve a quarta colocao entre os mais procurados para investir neste novo mercado, o pas j registrou mais de 220 projetos no Conselho Executivo da Organizao das Naes Unidas (ONU) com objetivo de que estes documentos sejam registrados (CENBIO. 2008). O sistema FIRJAN (Federao das Indstrias do Estado do Rio de Janeiro), preocupado com os impactos ambientais que assolam o nosso planeta, e com iniciativas de empresas pblicas e privadas, como prefeituras, sindicatos, investidores, estaes de tratamento de esgoto, entre outros rgos, que apresentam projetos voltados para reduo e a sanao desses problemas ambientais, porm sem incentivos de nenhuma entidade ou outros rgos na rea de comercializao de crditos de carbono, resolveu criar o escritrio do carbono. Este escritrio tem como princpio, organizar e transmitir contedos de interesse ambiental, para a elaborao e implantao de projetos voltados ao MDL. Alm de demonstrar para os rgos que visam aderir a essa iniciativa, os ganhos ambientais e econmicos (comercializao dos crditos), com reduo desses gases no ambiente em nvel global (FIRJAN, 2011). 66 CONSIDERAES FINAIS A pesquisa desenvolvida neste trabalho teve como objetivo determinar a quantidade de biogs produzido na decomposio da matria orgnica do esgoto sanitrio e a sua recuperao para fins energticos. Algumas limitaes impediram a exatido dos resultados; como a falta de informaes precisas para determinar a quantidade exata de produo de biogs a partir do tratamento utilizado, obtendo-se estas apenas na empresa saneamento de Araatuba (SANEAR). Outra questo est relacionada produo de esgoto em todo o municpio, que foi restrito por falta de informaes da produo de esgoto, principalmente na zona rural e nas indstrias. Mesmo com estas limitaes foi possvel realizar a estimativa de produo de biogs em todos os municpios pela quantidade de efluente gerado por habitante. Em algumas cidades como Birigui e Santo Antnio do Aracangu os sistemas de tratamentos utilizados, por serem muito antigos e no suportar a vazo atual produzida por estas, esto recebendo ateno especial das prefeituras que preocupados com esta questo esto implantando estaes de tratamento de esgoto (ETE) nas suas sedes. Na cidade de Santo Antonio do Aracangu, o tratamento atual realizado por trs lagoas separadas e localizadas em locais diferentes, que sero substitudas por duas estaes de tratamento utilizando-se o sistema australiano (figura 22), a primeira estao (imagem da esquerda) composta por uma lagoa anaerbia seguida por duas facultativas (zona norte) e a segunda (imagem da direita) composta por uma lagoa anaerbia seguida por uma lagoa facultativa e posteriormente a de maturao (zona sul). J na cidade de Birigui, o tratamento realizado pelo sistema australiano (duas lagoas anaerbias e trs facultativas), e as obras da estao de tratamento esto em fase final. A figura abaixo demonstra as estaes de tratamento de esgoto, em fase final de acabamento, na cidade de santo Antonio do Aracangu. Figura 22. Estaes de Tratamento de esgoto em Santo Antnio do Aracangu Fonte: Acervo do autor 67 Outra questo importante que, com o aumento da populao nos municpios a produo estimada de biogs segue a mesma proporo, sendo que a vazo e os tratamentos utilizados nestes so estimadas para um perodo de tempo ou no caso da populao aumentar num prazo muito curto. O presente trabalho teve por objetivo fornecer dados indispensveis para implantao de um projeto de recuperao de biogs e a sua converso em energia eltrica e trmica. Os resultados apontaram que possvel produzir e reutilizar o biogs do tratamento anaerbio de esgoto nos municpios avaliados. Outros estudos devem ser realizados para avaliar os custos de implantao de um projeto de recuperao de biogs, o potencial de produo de biogs a partir do lodo proveniente de estaes de tratamento de gua nestes municpios ou em outros com grande potencial de desenvolver este projeto. 68 REFERNCIAS ABNT - ASSOCIAO BRASILEIRA DE NORMAS TCNICAS. Estudo de concepo de sistemas de esgoto sanitrio. NBR 9648, Brasil, 1986. AGNCIA NACIONAL DE GUAS (ANA). Enquadramento dos corpos dgua - bases conceituais. Disponvel em:< http://pnqa.ana.gov.br/Padres/enquadramento_basesconceitu ais.aspx>. Acesso em: 17 nov. 2011. ALVES, J. W. S. Diagnstico tcnico institucional da recuperao e uso energtico do biogs gerado pela digesto anaerbia de resduos. 165f. Dissertao (Mestrado em Energia)-Universidade de So Paulo (USP), So Paulo, 2000. AMARAL, C. M. C. Biodigesto anaerbica de dejetos bovinos leiteiros submetidos a diferentes tempos de reteno hidrulica. Revista Cincia Rural, v. 34, n. 6, p. 1897-1902, nov. 2004. 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Outros: __________________________________ (IBGE, 2011) 74 3) Todos tm acesso ao tratamento de esgoto? Sim No Quantos (%):________________________ 4) Quantos distritos o municpio contm? 1 2 3 4 No tem (ir para questo - 6) Outros: _____________________ 5) Eles tm acesso ao tratamento de esgoto? Sim No 6) Quantas ETE o municpio possui? 1 2 3 4 No Tem (responder questo 7) Outros: _____________________ 75 7) Tem projetos para implantar ETE no municpio? Sim No Quando: ____________________________________________________ 8) Qual a vazo (m/Dia) de esgoto produzido pela cidade? _________________________________________________ 9) Qual vazo (m/Dia) de esgoto produzido no municpio? _________________________________________________ 10) O esgoto recebe resduos industriais? Sim No 11) Quantas indstrias enviam seus resduos para o tratamento? ________________________________________________ 12) Que tipo de tratamento utilizado no esgoto? Fossas Spticas; Lagoas Aeradas; Lodos Ativados; Lagoas de Estabilizao; Filtros biolgicos; Mtodo da Rampa. RAFA( UASB,RAFA,DAFA); Outros: ________ 76 13) Qual o destino final da gua residual? Rio; Crrego; Irrigao; Utilizao em Indstrias (No necessitam de gua potvel em seu processo). Outros: ___________________________ 14) feito anlise na gua residual? Sim No Qual: ________________________________________ _______________________________________ 15) A gua residual recebe algum tratamento (desinfeco)? Cloro; Cloraminas; Oznio; Peroxona (Oznio/peroxido de hidrognio); Dixido de Cloro (CLO); Radiao Ultravioleta; Permanganato de Potssio; No recebe tratamento. Outros: __________________________________________ __________________________________________ 77 16) H alguma aplicao para o lodo? Aterros Sanitrios; Aterros Especficos para Lodo; Adubo (utilizao em solo agrcola); Incinerao( Utilizado na Fabricao de Tijolos); Fabricao de Fertilizantes Orgnicos Minerais; Fabricao de Agregados Leves para Concreto( Substitui a Pedra Britada); Produo de Tijolos ( Argila + lodo ou Cinzas + Argila); Produo de leo Combustvel (invivel). No h aplicao para o lodo. 17) O lodo recebe algum tipo de tratamento ? Espessamento; Digesto (geralmente anaerbio); Condicionamento Qumico; Desaguamento; No recebe tratamento. Outros: ___________________________________________