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10º Congresso sobre Geração Distribuída e Energia no Meio Rural

11 a 13 de novembro de 2015

Universidade de São Paulo – USP – São Paulo

GERAÇÃO DE ENERGIA RENOVÁVEL EM UMA ESTAÇÃO DE

TRATAMENTO ANAERÓBIO DE ESGOTOS DOMÉSTICOS

Priscila Koga 1,2, Gustavo Rafael Collere Possetti 2,3, Julio Cezar Rietow 4,

Karen Juliana do Amaral 5, Andreas Grauer 1

1Universidade Federal do Paraná (UFPR), SENAI e Universität Stuttgart. Programa de Pós–

Graduação em Meio Ambiente Urbano e Industrial. Endereço: Av. Coronel Heráclito dos Santos 210, Jardim das Américas, Curitiba – PR, Brasil.

2Companhia de Saneamento do Paraná (Sanepar). Endereço: Rua Engenheiros Rebouças 1376, Rebouças, Curitiba – PR, Brasil.

3 Instituto Superior de Administração e Economia do Mercosul (ISAE). Programa de Mestrado Profissional. Endereço: Rua Visconde de Guarapuava 2943, Centro, Curitiba – PR, Brasil.

4Universidade Federal do Paraná (UFPR). Departamento de Hidráulica e Saneamento (DHS). Endereço: Av. Coronel Heráclito dos Santos 210, Jardim das Américas, Curitiba – PR, Brasil. 5 Universität Stuttgart. Programa de Pós–Graduação em Meio Ambiente Urbano e Industrial.

Endereço institucional: Bandtäle 2 70569 Stuttgart (Büsnau)

(E-mail: [email protected])

RESUMO

Os sistemas anaeróbios de tratamento possibilitam o abatimento da carga orgânica

presente em efluentes, gerando subprodutos sólidos e gasosos que são fontes de energia

renováveis. No entanto, no Brasil, esses subprodutos normalmente são considerados apenas

como passivos ambientais, sendo seus aproveitamentos energéticos pouco explorados.

Neste trabalho foram calculados os balanços de massa e de energia em uma estação de

tratamento anaeróbio de esgotos domésticos de médio porte, localizada no Estado do Paraná.

Nesse sentido, a partir de dados operacionais coletados ao longo do ano de 2014,

determinaram-se as quantidades de biogás, de lodo e de escuma disponíveis na planta e

calcularam-se seus respectivos potenciais de geração de energia. Assim, estimou-se que é

possível gerar aproximadamente 6,2 GWht.ano-1 de energia térmica, se os subprodutos forem

condicionados e convertidos em processos de combustão. Além disso, diagnosticou-se que

há um potencial de geração de energia elétrica da ordem de 1,8 GWhe.ano-1. A energia

proveniente dos subprodutos poderia ser utilizada dentro da própria planta ou integrada à rede

de distribuição de energia elétrica, diminuindo os custos operacionais inerentes ao tratamento

dos esgotos.

Palavras-chave: Biogás, Estação de tratamento de esgoto, Lodo, Energia renovável.

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ABSTRACT

Anaerobic treatment systems enable the reduction of the organic load present in wastewater,

generating solid and gaseous by-products which are renewable energy sources. However, in

Brazil, these by-products are usually considered as environmental liabilities, and its energetic

use is unexplored. In this paper, the mass and energy balances were calculated on a midsize

anaerobic wastewater treatment plant of domestic sewers, located in the Paraná state. In a

sense, from operational data collected during the 2014 year, it was determined the quantities

of biogas, sludge and scum available in the plant and it was calculated their potential for power

generation. Thus, it was estimated that it is possible to generate approximately 6.2 GWht.y-1

thermal energy, if the by-products are conditioned and converted into combustion processes.

In addition, it was diagnosed that there is a potential for electricity generation in the order of

1.8 GWhe.y-1. The energy from the by-products could be used within the plant itself or

integrated into the electricity distribution network, reducing the operating costs of sewage

treatment.

Keywords: Biogas, Wastewater treatment plant, Sludge, Renewable energy.

1. INTRODUÇÃO

Os processos biológicos de tratamento de esgotos consistem essencialmente na

capacidade dos microorganismos envolvidos utilizarem os compostos orgânicos

biodegradáveis, transformando-os em subprodutos que podem ser removidos do sistema

(CHERNICARO, 1997).

Esses subprodutos possuem um potencial energético representativo, porém pouco

utilizado no Brasil. No caso dos sistemas anaeróbios de tratamento de efluentes, os

subprodutos mais energéticos são o biogás, o lodo e a escuma. A destinação final

habitualmente adotada ao biogás limita-se à queima com baixa eficiência, enquanto que para

o lodo e a escuma ocorre a disposição em aterros sanitários, sendo escassas as iniciativas

de aproveitamento energético.

O crescente aumento dos custos com energia elétrica e o esgotamento dos recursos

naturais têm motivado o aumento dos custos associados com a operação das estações de

tratamento de esgoto (ETEs). Considerando que o processo de tratamento de esgotos ocorre

de forma contínua e que a geração dos subprodutos é inerente ao processo, tem-se então

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uma fonte renovável de energia limpa, que pode ser utilizada para subsidiar os custos do

sistema, seja no próprio processo de tratamento ou por meio da comercialização de energia

elétrica.

Recentemente, Shirado (2014) desenvolveu um procedimento no qual são propostos

métodos de quantificação de materiais consumidos e gerados, de acordo com as etapas do

processo de tratamento de efluentes e com os dados operacionais disponíveis, e fez cálculos

estimativos de geração de energia com base nos potenciais energéticos dos subprodutos. A

partir desse estudo demonstrou-se que o aproveitamento dos subprodutos de uma ETE de

médio porte, composta por reatores anaeróbios e flotação por ar dissolvido seria suficiente

para gerar 80% da energia elétrica consumida pela ETE, além de suprir toda a demanda de

energia térmica necessária para secagem do lodo e gerando um excedente de 445.028,77

kWht no ano de 2013.

...No Brasil ainda são incipientes os trabalho relacionados ao aproveitamento energético

de subprodutos de ETEs, como o desenvolvido por Shirado (2014). Os trabalhos a nível

mundial não refletem a realidade brasileira, por abordarem configurações de estações pouco

utilizadas no país, como lodos ativados com digestão anaeróbica de lodo.

Nesse sentido, o presente trabalho buscou avaliar os potenciais de geração de energia

renovável em uma ETE de médio porte, que utiliza a tecnologia anaeróbica seguida de lagoas

aeradas, a fim de contribuir com mais uma topologia de ETE condizente com a realidade

brasileira. A análise de fluxo de materiais permitiu que fossem quantificados os volumes de

materiais consumidos e gerados em cada processo do tratamento. A partir desta

quantificação, foi possível estimar o potencial de energia renovável que poderia ser gerado a

partir da recuperação de subprodutos, como o biogás, o lodo e a escuma.

2. METODOLOGIA

A ETE estudada possui a capacidade de tratar até 420 L.s-1 de esgoto e, atualmente,

atende a uma população aproximada de 180.000 habitantes. A ETE é composta pelas

seguintes unidades funcionais: elevatória de recuperação de nível, gradeamento,

desarenador, reatores anaeróbios de fluxo ascendente (RALFs), lagoas aeradas e de

decantação e sistema de desaguamento e higienização de lodos.

A metodologia proposta por Shirado (2014) foi aplicada na ETE para quantificar os

materiais consumidos e gerados por suas unidades funcionais, de acordo com os dados

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operacionais coletados ao longo do ano de 2014. Todos os dados utilizados foram convertidas

para unidade volumétrica (m³) por ano, para garantir consistência dimensional.

Dessa forma, inicialmente, realizou-se a análise de fluxo de materiais da ETE. E

construiu-se um diagrama de fluxo (diagrama de Sankey), o qual foi concebido com o auxílio

do programa computacional STAN, versão 2.5, da Universidade Tecnológica de Viena.

Na sequência, estimaram-se os potenciais mensais e anuais de geração de energia

química, térmica e elétrica associados com a recuperação do biogás, do lodo e da escuma.

As taxas de produção e os potenciais químicos energéticos do biogás proveniente dos

RALFs foram estimados com o auxílio do programa computacional PROBIO, versão 1.0. Para

tanto, foram nele inseridos os dados médios mensais da vazão e da demanda química de

oxigênio (DQO) do esgoto que entrou nos reatores anaeróbios. Esse programa foi

desenvolvido a partir do modelo matemático proposto por Lobato et al. (2012) e considera

todas as rotas de conversão de DQO e perdas de biogás nos reatores, permitindo estimar de

forma mais acurada as taxas de produção de biogás. Silva et. al. (2014) realizou um estudo

comparativo entre quatro metodologias de estimativa de produção de biogás: IPCC (2006),

UNFCC (2013), Chernicaro (1997) e Lobato (2012), e o trabalho de medição de biogás em

tempo real por guiamento passivo realizado por Possetti et. al. (2013), onde a metodologia

proposta por Lobato (2011) foi a que mais se aproximou da medição em tempo real, sendo

por este motivo adotado neste trabalho.

Para o cálculo do potencial energético químico inerente ao biogás, multiplicou-se a

vazão média do metano à 70% v/v pelo poder calorífico inferior, equivalente a 9,9 kWhq/Nm3

O cálculo da estimativa do potencial energético químico da escuma e do lodo foi obtido

por meio da multiplicação da massa de cada um dos materiais por seu respectivo PCI, em

base seca. Para a escuma foi adotado 1.700 kcal.kg-1 em base seca, conforme relatado por

Ross et al. (2013) para a ETE em estudo. Para o lodo foi utilizado o valor de 3.856,56 kcal.kg-

1 em base seca (POSSETTI, 2013), valor estimado para uma ETE com tratamento anaeróbio

e características semelhantes à ETE em estudo.

Os rendimentos utilizados para conversão de energia química em energia útil, de acordo

com cada processo de aproveitamento, estão apresentados na Tabela 1

Tabela 1 – Rendimentos utilizados na conversão de energia química em energia útil

SUBPRODUTO PROCESSO RENDIMENTO (%) REFERÊNCIA

Biogás Combustão direta para secagem de lodo

80 Wellinger et al.

(2013)

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Geração de energia elétrica com motor ciclo Otto

36 DWA (2013)

Escuma e lodo

Combustão para secagem de lodo

75 Ortega et al.

(2002) Geração de energia elétrica com motor ciclo Otto

10 van Haandel

(2009)

Para fins de aproveitamento energético dentro da ETE, foram estimadas a demanda de

energia térmica para a para secagem do lodo e também o consumo de energia elétrica que

poderia ser evitado com a autogeração de energia elétrica.

Cabe ressaltar que para o aproveitamento do lodo e da escuma para geração de energia

térmica e elétrica é necessário que os mesmos apresentem um teor de sólidos de no mínimo

85%, que só pode ser obtido através de processos térmicos. A energia necessária para tal

não foi considerada nos cálculos do potencial de geração de energia térmica e elétrica à partir

do lodo e escuma.

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

A Figura 1 apresenta o diagrama de fluxo da ETE sob investigação. Nos retângulos

estão representadas as unidades funcionais inerentes ao processo. As setas representam as

quantidades dos materiais que entram - I (setas em azul) ou que saem - O (setas em laranja)

das unidades funcionais. As larguras dessas setas representam proporções em relação à

quantidade total de materiais processados no ano de 2014.

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Figura 1: Diagrama de fluxo de materiais da ETE estudada (O autor, 2015).

No ano de 2014, a ETE tratou um volume de 9.730.427 m³ de esgoto doméstico,

equivalente a uma vazão diária de aproximadamente 308 L/s. Do volume total, 490 m³ foram

retirados como resíduo sólido grosseiro e areia e destinados em um aterro sanitário. Os

RALFs geraram, no período, 2.689 m³ de escuma e 4.053 m³ de lodo, os quais foram

desaguados, higienizados e enviados para aproveitamento na agricultura e/ou destinação em

aterro sanitário. A produção de biogás gerada nos RALFs foi de 543.426 Nm³/ano, com um

teor médio de metano de 70% v/v. As lagoas, por sua vez, geraram 25.216 m³ de lodo, tendo

o mesmo processamento e destinação do lodo oriundo dos RALFs.

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A Figura 2 apresenta os potenciais mensais de geração de energia química associados

com o biogás, com o lodo e com a escuma durante 2014.

Figura 2: Energia química mensal inerente ao biogás, ao lodo e à escuma para o ano

de 2014 (O autor, 2015).

Durante o mês de janeiro não houve retirada de lodo proveniente dos RALFs e das

lagoas. Em abril não houve retirada escuma dos RALFs. Por essa razão não houve cálculo

do potencial de energia química de lodo e escuma para janeiro e abril respectivamente. A

média mensal do potencial de energia química, somando os três subprodutos foi de

(665.752,91 ± 158.384,32) kWhq/mês.

O mês de outubro apresentou o maior potencial de geração de energia química em

2014, 1.003.960 kWhq,, valor cerca de 50% superior à média anual, já no mês de janeiro o

potencial foi de 388.272,35 kWhq, correspondendo à 60% do potencial médio anual.

A partir dos cálculos referentes ao potencial de energia química foram aplicados os

rendimentos apresentados na Tabela 1 e obtidos os potenciais de geração de energia elétrica

(Figura 3) e térmica (Figura 4).

0

200000

400000

600000

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1000000

jan fev mar abr mai jun jul ago set out nov dez

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Meses (2014)

Biogás Lodo Escuma média

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Figura 3: Estimativa do potencial de geração mensal de energia elétrica a partir do

biogás, lodo e escuma para o ano de 2014 (O autor, 2015).

Figura 4: Estimativa do potencial de geração mensal de energia térmica a partir do

biogás, lodo e escuma para o ano de 2014 (O autor, 2015).

O potencial de geração de energia térmica mensal médio da ETE foi de

(515.081,34±119.528,56) kWht/mês e o acumulado anual foi de 6.180.976 kWht. Caso a

energia térmica fosse utilizada para secagem do lodo e escuma a fim de obter um teor de

sólidos final de 90%, considerando a relação de (1.323,91±285,11) kcal de energia para cada

m³ de água evaporada (POSSETTI et. al., 2015), a demanda anual de energia térmica seria

0

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120000

140000

160000

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Meses (2014)Biogás Lodo Escuma média

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Meses (2014)

Biogás Lodo Escuma média

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de 7.437.798,213 kWht, sendo o potencial térmico anual suficiente para atender cerca de 83

% da demanda. A secagem térmica proporciona uma diminuição com os custos de transporte

do lodo e escuma, já que a evaporação da água converte-se num menor volume a ser

transportado para a destinação final.

A estimativa média mensal do potencial de geração de energia elétrica foi de

(148.561,92 ± 24.311,62) kWhe/mês e o potencial anual foi de 1.782.743 kWhe. Considerando

que em 2014 a média de consumo foi de (296.708 ± 26.156) kWhe/mês, a energia gerada a

partir dos subprodutos seria suficiente para suprir cerca de 50% da demanda mensal de

energia elétrica da ETE.

3. CONCLUSÕES

Com base nos resultados obtidos, conclui-se que o biogás, o lodo e a escuma,

tipicamente tratados apenas como passivos ambientais, são importantes fontes para a

produção de energia limpa e renovável em uma ETE, sendo fundamentais para a

sustentabilidade energética do processo de tratamento.

Através do presente estudo, estimou-se que é possível gerar aproximadamente 6,2

GWht.ano-1 de energia térmica, se os subprodutos forem condicionados e convertidos em

processos de combustão, subsidiando os custos operacionais relativos ao gerenciamento do

lodo e escuma.

O potencial de geração de energia elétrica estimado foi de 1,8 GWhe.ano-1. A energia

proveniente dos subprodutos poderia ser utilizada dentro da própria planta ou integrada à rede

de distribuição de energia elétrica, diminuindo os custos operacionais inerentes ao tratamento

dos esgotos.

Cabe destacar que os cálculos dos potenciais de geração de energia térmica e elétrica

estão diretamente ligados à disponibilidade de energia química, que, por sua vez, depende

da disponibilidade e das características do biogás, do lodo e da escuma. Nesse sentido,

fatores de ordem climática, tais como eventos de chuvas, bem como questões operacionais,

como a disponibilidade de mão de obra e de equipamentos para retirada de lodo e escuma

podem influenciar os potenciais de recuperação energética supracitados.

4. REFERÊNCIAS

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