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UNIVERSIDADE TUIUTI DO PARANÁ RONALD GERVASONI ESTUDO DA PRODUÇÃO DE METANO A PARTIR DA DIGESTÃO ANAERÓBIA: RELAÇÃO ENTRE TEORIA E PRÁTICA CURITIBA 2011

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UNIVERSIDADE TUIUTI DO PARANÁ

RONALD GERVASONI

ESTUDO DA PRODUÇÃO DE METANO A PARTIR DA DIGESTÃO

ANAERÓBIA: RELAÇÃO ENTRE TEORIA E PRÁTICA

CURITIBA

2011

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Ronald Gervasoni

ESTUDO DA PRODUÇÃO DE METANO A PARTIR DA DIGESTÃO

ANAERÓBIA: RELAÇÃO ENTRE TEORIA E PRÁTICA

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso

de Engenharia Ambiental da Faculdade de Ciências

Exatas da Universidade Tuiuti do Paraná, como requisito

parcial para obtenção do título de Engenheiro Ambiental.

Orientador: Prof. Dr. Mauricio Pereira Cantão

CURITIBA

2011

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ESTUDO DA PRODUÇÃO DE METANO A PARTIR DA DIGESTÃO

ANAERÓBIA: RELAÇÃO ENTRE TEORIA E PRÁTICA

Curitiba

2011

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TERMO DE APROVAÇÃO

Ronald Gervasoni

ESTUDO DA PRODUÇÃO DE METANO A PARTIR DA DIGESTÃO ANAERÓBIA: RELAÇÃO ENTRE TEORIA E PRÁTICA

Este trabalho de conclusão de curso foi julgado e aprovado para a obtenção do título de Engenheiro Ambiental da Faculdade de Ciências Exatas e de Tecnologia da Universidade Tuiuti do Paraná.

Curitiba, 01 de julho de 2011.

___________________________________________________

Engenharia Ambiental / FACET

Universidade Tuiuti do Paraná.

___________________________________________________

Membro da Banca: Prof. Msc. Marisa Isabel Weber

___________________________________________________

Membro da banca: Prof. Msc. Janilce dos Santos Negrão Messias

___________________________________________________

Orientador: Prof. Dr. Mauricio Pereira Cantão

___________________________________________________

Coordenador TCC: Prof. Dr. Arion Zandoná Filho

___________________________________________________

Coordenador do Curso: Prof. Msc. Luiz Capraro

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AGRADECIMENTOS

Agradecimento especial merece minha família e amigos por ter me apoiado

em todos os momentos durante a elaboração deste projeto.

Ao Prof. Dr. Mauricio Pereira Cantão, pela sua dedicada e qualificada

orientação, manifesto minha consideração.

Aos meus colegas de trabalho, que me ajudaram a desenvolver este trabalho.

À SANEPAR pelo apoio e disponibilidade das informações e aos amigos

saneparianos da USAV, URFI, USEG, USGA, USHI, e APD especialmente ao

Péricles Sócrates Weber.

E por fim, porém um agradecimento mais do que especial a Elaine Cristina

Malisak, pelo seu incondicional apoio e ajuda em todas as etapas de

desenvolvimento deste projeto.

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RESUMO

Este estudo objetivou identificar as causas da discrepância entre diferentes métodos

de determinação do potencial de produção de biogás em estações de tratamento de

esgoto, bem como avaliar um método viável para quantificação da produção de

biogás gerado na Estação de Tratamento de Esgoto Atuba Sul, e na ETE Ouro

Verde a partir da utilização do RALF – Reator Anaeróbio de Lodo Fluidizado. Foram

aplicadas três metodologias de cálculo nas estações do estudo e os resultados

destes métodos foram comparados com os valores práticos das vazões de biogás

destas estações a fim de verificar se há discrepâncias e assim tentar identificar seus

desvios e origens. Os experimentos práticos foram desenvolvidos na ETE Atuba Sul

com amostragens do efluente tratado a fim de identificar e quantificar o metano

dissolvido no efluente. Os resultados obtidos permitiram concluir que as

concentrações de metano dissolvido no efluente tratado dos reatores anaeróbios

foram relativamente elevadas. As perdas de metano dissolvido no efluente dos

reatores se situaram maiores que 22% de todo o metano gerado na unidade, o que

comprova serem acentuadas as perdas de potencial energético com a dissolução de

metano no efluente.

Palavras-Chave: Potencial de produção de biogás, tratamento de esgoto, biogás e

metano dissolvido.

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ABSTRACT

This study aimed to identify the causes of the discrepancy between different methods

of determining the potential of biogas production in wastewater treatment plants and

to evaluate a viable method for measuring the production of biogas generated in

sewage treatment plant Atuba Sul and Ouro Verde from the use of UAFS - Upflow

Anaerobic Fluidized Sludge. Three methodologies for calculating the stations were

used and the results of these methods were compared with the practical values of

the flow of biogas these stations to check for discrepancies in order to identify

deviations and their origins. Practical experiments were conducted at ETE Atuba Sul

with samples of treated effluent in order to identify and quantify the dissolved

methane in the effluent. The results showed that concentrations of dissolved

methane in the treated effluent of the anaerobic reactors were relatively high. Losses

of dissolved methane in the effluent of the reactors were determined to be 22% of all

methane generated in the unit, indicating the great amount of potential energy lost

due to dissolved methane in the effluent.

Keywords: Potential of biogas production, wastewater treatment, biogas and

methane dissolved.

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LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1: Porcentagem do Consumo de água no mundo. ......................................... 16

Figura 2: Porcentagem da Cobertura de rede de água e coleta de esgoto. .............. 18

Figura 3: Parcela do esgoto coletado, através das redes públicas urbanas, que sofre

tratamento antes da disposição nos corpos hídricos. ................................................ 19

Figura 4: Cobertura urbana com rede coletora de esgotos sanitários no Brasil e seu

tratamento ................................................................................................................. 20

Figura 5: Rotas metabólicas e grupos microbianos envolvidos na digestão anaeróbia

da matéria orgânica. .................................................................................................. 28

Figura 6: Representação esquemática de um reator UASB. ..................................... 32

Figura 7: Fluxograma do processo de tratamento ETE Atuba Sul. ........................... 34

Figura 8: ETE Ouro Verde ......................................................................................... 35

Figura 9: Croqui do sistema proposto para coleta, armazenamento e geração de

energia elétrica. ......................................................................................................... 46

Figura 10: Medidor de Vazão de Biogás da ETE Ouro Verde. .................................. 54

Figura 11: Medidor de Velocidae tipo Anemômetro Digital ....................................... 56

Figura 12: Aparato tipo frasco de Mariotte para lavagem do Biogás e medição do

volume de metano produzido. ................................................................................... 58

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Classificação geral dos organismos baseada nas fontes de energia e

carbono ..................................................................................................................... 22

Tabela 2 - Principais características dos catabolismos oxidativo e fermentativo. ..... 24

Tabela 3 - Aceptores de elétron típicos de reações de oxidação no tratamento de

esgotos ...................................................................................................................... 25

Tabela 4 – Valores padrão do IPCC para Fator de Correção do Metano (MCF)....... 49

Tabela 5 – Estimativa de produção de metano ......................................................... 60

Tabela 6 - ETE Ouro Verde (m³CH4/dia) ................................................................... 61

Tabela 7 - ETE Atuba Sul (m³CH4/dia) ...................................................................... 61

Tabela 8 – Composição do metano (% mol/mol) ....................................................... 62

Tabela 9 – Concentração de metano dissolvido no efluente tratado ......................... 62

Tabela 10 – Desvios dos métodos calculados em relação à prática. ........................ 63

Tabela 11 – Valores calculados de supersaturação de metano no efluente de

reatores anaeróbio .................................................................................................... 66

Tabela 12 – Perda por metano dissolvido na ETE Atuba Sul .................................... 67

Tabela 13 – Perda de potencial energético na ETE Atuba Sul. ................................ 68

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LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica.

CENBIO – Centro Nacional de Referência em Biomassa.

CH4 – Metano.

CO2 – Dióxido de Carbono.

COPEL – Companhia Paranaense de Energia Elétrica.

DAFA – Digestor Anaeróbico de Fluxo Ascendente.

DBO – Demanda Bioquímica de Oxigênio.

DQO – Demanda Química de Oxigênio.

ETE – Estação de Tratamento de Efluentes.

GEE – Gases de Efeito Estufa.

IPCC – Intergovernmental Panel on Climate Change.

MDL – Mecanismo de Desenvolvimento Limpo.

RAFA – Reator Anaeróbico de Fluxo Ascendente.

RALF – Reator Anaeróbio de Lodo Fluidizado.

SANEPAR – Companhia de Saneamento do Paraná.

UASB – Up-flow Anaerobic Sludge Blanket.

UNFCCC – United Nations Framework Convention on Climate Change.

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................ 11

2. JUSTIFICATIVA ............................................................................................. 13

3. OBJETIVOS ................................................................................................... 14

3.1. GERAL ................................................................................................................................14

3.2. ESPECÍFICOS ....................................................................................................................14

4. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ...................................................................... 15

4.1. RECURSOS HÍDRICOS E TRATAMENTO DE EFLUENTES DOMÉSTICOS ..................15

4.2. PRINCÍPIOS DE TRATAMENTO BIOLÓGICOS DE ESGOTOS .......................................20

4.2.1. Fontes de Energia e Carbono para as Células Microbianas ............................... 21

4.2.2. Metabolismo dos Microorganismos ..................................................................... 23

4.2.3. Geração de Energia nas Células Microbianas..................................................... 24

4.2.4. Microbiologia da Digestão Anaeróbia .................................................................. 27

4.2.5. Formação de Metano nos Reatores Anaeróbios ................................................. 29

4.3. REATORES ANAERÓBIOS ...............................................................................................31

4.3.1. Reatores Anaeróbios de Manto de Lodo ............................................................. 32

4.3.2. ETE Atuba Sul ...................................................................................................... 33

4.3.3. ETE Ouro Verde ................................................................................................... 34

4.4. BIOGÁS: PRODUÇÃO, CARACTERÍSTICAS E INFLUÊNCIAS .......................................36

4.5. GERAÇÃO DE ENERGIA A PARTIR DO BIOGÁS ............................................................38

4.6. APROVEITAMENTO ENERGÉTICO EM ESTAÇÕES TRATAMENTO DE ESGOTO ......42

5. METODOLOGIA DA PESQUISA ................................................................... 47

5.1. METODOLOGIAS PARA A ESTIMATIVA DA PRODUÇÃO DE METANO .......................47

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5.1.1. Determinação da DQO e Vazão Média ............................................................... 48

5.1.2. Método UNFCCC ................................................................................................. 48

5.1.3. Método CENBIO .................................................................................................. 51

5.1.4. Método Chernicharo ou Método da DQO Removida ........................................... 52

5.1.5. Medida da vazão de biogás da ETE Ouro Verde ................................................ 54

5.1.6. Medida da vazão de biogás da ETE Atuba Sul ................................................... 54

5.2. IDENTIFICAÇÃO DA DISCREPÂNCIA ENTRE TEORIA E PRÁTICA ..............................57

5.3. ANÁLISE DE METANO SOLÚVEL EM EFLUENTE TRATADO ........................................57

6. RESULTADOS E DISCUSSÕES ................................................................... 60

6.1. ESTIMATIVA DE PRODUÇÃO DE METANO ....................................................................60

6.2. RELAÇÃO ENTRE TEORIA E PRÁTICA ...........................................................................60

6.3. RESULTADOS DA ANÁLISE DE METANO DISSOLVIDO ................................................61

6.4. DISCUSSÃO SOBRE OS DESVIOS ENCONTRADOS .....................................................63

7. CONCLUSÃO ................................................................................................. 70

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................... 73

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1. INTRODUÇÃO

As Estações de Tratamento de Esgoto operadas pela Companhia de

Saneamento do Paraná - SANEPAR, que serão o objeto de estudo deste trabalho,

utilizam o sistema de RALF (Reator Anaeróbio de Lodo Fluidizado), no qual é feita a

mistura do lodo contido em um manto de lodo previamente formado, rico em

bactérias, com o esgoto em fluxo ascendente no interior do reator.

Toda matéria orgânica contida no esgoto fica armazenada no manto de lodo e

é degradada e estabilizada por meio da atividade metabólica das bactérias que

transformam matéria orgânica suspensa, dissolvida ou coloidal em produtos estáveis

como água, biogás e lodo anaeróbio.

Ocorre uma separação dos gases gerados, que são conduzidos até um

gasômetro e em seguida a um sistema queimador. O biogás é composto

principalmente de gás carbônico (CO2) e metano (CH4), resultado do tratamento de

esgoto por processos anaeróbios.

O metano é um dos gases que mais contribuem para o aquecimento global,

sendo muito mais prejudicial ao efeito estufa que o CO2. Por esta razão, o biogás

produzido no RALF é queimado no final do processo de tratamento, quando poderia

ser convertido em energia útil para a SANEPAR, gerando benefício econômico,

social e ambiental.

Vários estudos têm sido conduzidos no sentido de determinar o potencial de

geração de energia a partir do biogás de digestão anaeróbia. Dados recentes

indicaram que a medida direta da vazão de biogás no queimador é quase 10 vezes

menor que a estimativa de produção de biogás obtida da DQO removida. Os fatores

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para esta discrepância, mencionados pelo autor deste estudo, são hipotéticos e não

foram comprovados (SPRENGER, 2009).

O problema a ser abordado neste trabalho pode ser resumido como a

tentativa de identificação das causas da discrepância entre diferentes métodos de

determinação do potencial de produção de biogás em estações de tratamento de

esgoto. Uma vez identificadas as causas será possível estabelecer o método mais

apropriado para calcular o potencial energético de qualquer ETE que opere com

sistemas RALF.

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2. JUSTIFICATIVA

Os resíduos gasosos gerados em Estações de Tratamento de Esgoto

necessitam que o seu potencial econômico e energético seja aproveitado ao máximo

em benefício do Meio Ambiente. Utilizando tecnologias modernas e adequadas para

minimização de possíveis impactos ambientais.

A quantificação da transformação do resíduo do efluente em biogás pode

gerar energia elétrica renovada suficiente para manter o fluxo da estação,

diminuindo assim consideravelmente seus custos além de evitar o lançamento

descontrolado de gás metano para atmosfera.

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3. OBJETIVOS

São apresentados os objetivos geral e específicos do trabalho de conclusão

de curso.

3.1. GERAL

Avaliar um método viável para quantificação da produção de biogás gerado

na Estação de Tratamento de Esgoto Atuba Sul, e na ETE Ouro Verde a partir da

utilização do RALF – Reator Anaeróbio de Lodo Fluidizado.

3.2. ESPECÍFICOS

Quantificar a produção de biogás mediante a DQO removida e vazão média

do despejo.

Identificar a origem da possível discrepância entre a teoria e a prática.

Quantificar o metano dissolvido no efluente tratado.

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4. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Atualmente, com o crescente desenvolvimento tecnológico e expansão

urbana, um dos maiores desafios está em estabelecer a sustentabilidade ambiental

em todas as atividades antrópicas, em face disto surge inúmeros desafios, um deles

abordados neste trabalho, os biodigestores e a sua produção de biogás.

Sabidamente que para o tratamento de esgoto doméstico no Brasil, vem sendo

utilizado em larga escala os biodigestores modelo RALF (Reator Anaeróbico de Leito

Fluidizado), cuja sigla original é UASB (Up-flow Anaerobic Sludge Blanket). Este

biodigestor revolucionou a área de tratamento de efluentes apresentando benefícios

que antes não se tinha, como por exemplo: baixo consumo de energia, baixo custo

operacional, maior estabilidade do processo de tratamento, entre outros (PECORA,

2006).

4.1. RECURSOS HÍDRICOS E TRATAMENTO DE EFLUENTES

DOMÉSTICOS

A UNESCO (2009) cita que 73,42% de toda a água utilizada, no âmbito

mundial provêm de recursos hídricos superficiais, 19,02% de fontes subterrâneas,

4,82% do reaproveitamento de águas de drenagem, 2,41% do reuso de águas

residuárias e 0,34% provém de processos de dessalinização, onde por processos de

evaporação e/ou osmose reversa, é retirados sais para se obter uma potabilidade

mínima. Especificamente para o uso de abastecimento com água potável às

populações, cerca de 48% provém de recursos hídricos superficiais, os mesmos

48% de fontes subterrâneas e 3,5% de processos de dessalinização.

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A UNESCO (2009), balizada em dados da Comprehensive Assessment of

Water Management in Agriculture de 2007, salienta que a disponibilidade hídrica no

planeta é de 43.659 km³/ano de água, do qual uma vazão de 3.829 km³/ano é

retirada e utilizada, sabe-se, porém que a água é um recurso renovável, entretanto

os níveis de degradação deste recurso que se torna preocupante. Portanto, somente

8,8% dos recursos hídricos naturais renováveis disponíveis tais como: rios, lagos,

geleiras, entre outros, são utilizados para atender os diversos usos consultivos.

Cabe ressaltar que a disponibilidade hídrica não é uniforme entre as regiões e

continentes, constatando-se o estado de escassez em determinadas regiões por

fatores climáticos naturais ou por pressões de demanda em áreas populosas.

A irrigação agrícola é a atividade que mais consome água, correspondendo

70% da parcela utilizada mundialmente. Atividades para fins industriais, incluindo a

geração de energia, é responsável por cerca de 20%, conforme Figura 1. O uso

doméstico urbano, sobretudo para a promoção do saneamento básico, demanda em

torno de 10% da água consumida no planeta (UNESCO, 2009).

FIGURA 1: PORCENTAGEM DO CONSUMO DE ÁGUA NO MUNDO.

FONTE: ADAPTADO DE UNESCO, 2009.

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Agricultura Industria Urbano

% Consumo de Água no Mundo

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A quantidade de água usada para atividades e consumo humano triplicou nos

últimos 50 anos, em virtude do crescimento populacional. Prevê-se que em 2030,

60% da população mundial será urbana, havendo um incremento, em relação a

2005, de 1,8 bilhões de pessoas no meio urbano. Neste aspecto destacam-se a

América Latina, Caribe e América do Norte, com previsões de proporções de

população urbana superiores a 80% (UNESCO, 2009).

Esta tendência indica o aumento progressivo da demanda da água para usos

urbanos, como o abastecimento das populações com água tratada e a promoção do

saneamento ambiental, utilizando-se dos recursos hídricos superficiais na diluição

de efluentes.

O Global Water Supply and Sanitation Assessment 2000 Report, da

Organização Mundial de Saúde (UNICEF, 2000) destaca que 82% da população

mundial são atendidos por algum tipo de sistema de abastecimento de água e que

60% possuem cobertura com sistemas de esgotamento sanitário. Este estudo

adotou como critério na definição de cobertura ou atendimento com abastecimento

de água as populações servidas com sistemas de tratamento da água e rede de

abastecimento público domiciliar, torneiras ou redes comunitárias, poços e minas

para abastecimento e utilização de água da chuva. Relativamente ao esgotamento

sanitário consideraram-se, além da rede coletora pública de esgoto, sistemas de

fossa e latrinas isoladas.

Avaliando-se a situação em áreas urbanas, o relatório da Organização

Mundial de Saúde (UNICEF, 2000) indica a cobertura com abastecimento de água

em 94% e com esgotamento sanitário em 86%. Porém, é importante enfatizar que

na América Latina e Caribe 66% da população possui acesso a sistemas de

tratamento de água e rede de abastecimento domiciliar, ver Figura 2. No continente

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asiático a cobertura com este tipo de sistema decresce para 49% e na África não

ultrapassa 24%. No que tange ao esgotamento sanitário, na América Latina e

Caribe, 49% da população é coberta com rede pública coletora de esgoto. Na Ásia

18% da população possuem este serviço e na África somente 13%.

FIGURA 2: PORCENTAGEM DA COBERTURA DE REDE DE ÁGUA E COLETA DE ESGOTO.

FONTE: ADAPTADO DE UNESCO, 2009.

A parcela do esgoto coletado, através das redes públicas urbanas, que sofre

tratamento antes da disposição nos corpos hídricos, chega a 90% e 66% na América

do Norte e Europa respectivamente. Cenários bem mais críticos são observados na

Ásia, América Latina/Caribe e África, com 35%, 14% e zero, respectivamente, para a

parcela de esgoto coletado que é tratado (UNICEF, 2000). Estima-se que existam no

mundo ainda 884 milhões de pessoas sem acesso a água tratada e 2,4 bilhões sem

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América Latina e Caribe África Ásia

Rede de Abastecimento de Água Rede de Coleta de Esgoto

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saneamento básico. Oitenta por cento dos esgotos domésticos coletados dos países

em desenvolvimento são lançados sem tratamento algum nos corpos hídricos,

ocasionando um significativo problema ambiental e a redução da disponibilidade de

água com qualidade (UNESCO, 2009).

FIGURA 3: PARCELA DO ESGOTO COLETADO, ATRAVÉS DAS REDES PÚBLICAS URBANAS, QUE SOFRE TRATAMENTO ANTES DA DISPOSIÇÃO NOS CORPOS HÍDRICOS.

FONTE: ADAPTADO DE UNESCO, 2009.

No Brasil, o Sistema Nacional de Informações sobre Saneamento do ano de

2008, publicado pela Secretaria Nacional de Saneamento Ambiental (SNSA, 2010),

destaca que a cobertura urbana com rede coletora de esgotos sanitários no Brasil é

de 50,6%, mas apresentando grande variabilidade regional. Enquanto o sudeste

apresenta um índice de 72,1%, o norte e nordeste do país possuem 7,0% e 25,6%

da população com este tipo de serviço respectivamente. Relativamente ao volume

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América do Norte

Europa Ásia América Latina e Caribe

África

% Efluente Coletado e Tratado

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de esgoto sanitário coletado, apenas 34,6% sofre algum tipo de tratamento. Estima-

se que 2,89 bilhões de m³/ano de esgotos sanitários são despejados diretamente

nos corpos de água pelas redes coletoras de esgoto em áreas urbanizadas, sem

tratamento (ANA, 2007).

FIGURA 4: COBERTURA URBANA COM REDE COLETORA DE ESGOTOS SANITÁRIOS NO BRASIL E SEU TRATAMENTO

FONTE: ADAPTADO DE ANA, 2007.

4.2. PRINCÍPIOS DE TRATAMENTO BIOLÓGICOS DE ESGOTOS

Segundo Sperling (1996), o tratamento biológico de esgotos, como o próprio

nome indica, ocorre inteiramente por mecanismos biológicos. Estes processos

reproduzem de certa maneira, os processos naturais que ocorrem em um corpo

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Brasil

% Rede de Esgoto % Esgoto Coletado e Tratado

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d’água após o lançamento de despejos. No corpo d’água, a matéria orgânica é

convertida em produtos mineralizados inertes por mecanismos puramente naturais,

caracterizando o assim chamado fenômeno de autodepuração. Em uma estação de

tratamento de esgotos os mesmos fenômenos básicos ocorrem, mas a diferença é

que há em paralelo a introdução de tecnologia. Essa tecnologia tem como objetivo

fazer com que o processo de depuração se desenvolva em condições controladas

(controle da eficiência) e em taxas mais elevadas (solução mais compacta).

Portanto, segundo o autor, a compreensão da microbiologia do processo de

tratamento é essencial para a operação e otimização dos sistemas de tratamentos

biológicos.

Os principais organismos envolvidos no tratamento dos esgotos são as

bactérias, protozoários, fungos, algas e vermes. Destes, as bactérias são, sem

dúvida, os mais importantes na estabilização da matéria orgânica (BENEFIELD E

RANDALL, 1980). Desta forma, a fim de subsidiar o estudo, este trabalho foi feito em

relação do ponto de vista biológico (estudo das bactérias).

4.2.1. Fontes de Energia e Carbono para as Células Microbianas

Todos os seres vivos, para que possam desempenhar as suas funções de

crescimento, locomoção, reprodução e outras, necessitam basicamente de: (a)

energia, (b) carbono e (c) nutrientes - nitrogênio, fósforo, enxofre, potássio, cálcio e

magnésio (SPERLING, 1996).

Em termos da fonte de carbono, há fundamentalmente dois tipos de

organismos segundo Sperling (1996):

Seres autótrofos: fonte de carbono - gás carbônico (CO2);

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Seres heterótrofos: fonte de carbono - matéria orgânica.

Em termos de fonte de energia, há basicamente dois tipos de organismos:

Seres fototróficos: fonte de energia - energia luminosa;

Seres quimiotróficos: fonte de energia – energia de reações químicas.

Um resumo das combinações entre os diversos tipos podem ser visualizados

na Tabela 1.

TABELA 1 - CLASSIFICAÇÃO GERAL DOS ORGANISMOS BASEADA NAS FONTES DE ENERGIA E CARBONO

Classificação Fonte de energia Fonte de carbono

Organismos representativos

Fotoautótrofos Luz CO2 Plantas superiores, algas, bactérias fotossintéticas.

Fotoheterótrofos Luz Matéria orgânica Bactérias fotossintéticas.

Quimioautótrofos Matéria inorgânica

CO2 Bactérias.

Quimioheterótrofos Matéria orgânica Matéria orgânica Bactérias, fungos, protozoários e animais.

FONTE: SPERLING, 1996.

Na maior parte dos processos de tratamento de esgotos (exceção feita às

lagoas facultativas), a luz não penetra significativamente no líquido contido nos

tanques destinados ao tratamento, devido à elevada turbidez do líquido. Por

conseguinte, a presença de microrganismos que têm luz como fonte de energia é

bastante limitada. Os organismos de real importância neste caso são, portanto, os

quimioautótrofos (responsáveis pela nitrificação) e os quimioheterótrofos

(responsáveis pela maior parte das reações que ocorrem no tratamento biológico)

(SPERLING, 1996).

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4.2.2. Metabolismo dos Microorganismos

Os processos químicos que ocorrem simultaneamente na célula,

conjuntamente denominados metabolismo, podem ser divididos em duas categorias

(LA RIVIÉRE, 1977):

Desassimilação ou catabolismo: reações de produção de energia, nas quais

ocorre a degradação do substrato;

Assimilação ou anabolismo: reações que conduzem à formação de material

celular (crescimento) com o auxílio de energia liberada na desassimilação.

A remoção da matéria orgânica originária dos esgotos ocorre através dos

processos de desassimilação ou catabolismo. Os dois tipos de catabolismo de

interesse no tratamento de esgotos são: catabolismo oxidativo (oxidação da matéria

orgânica) e catabolismo fermentativo (fermentação da matéria orgânica). O

catabolismo oxidativo é uma reação redox na qual a matéria orgânica é oxidada por

um agente oxidante presente no meio líquido (oxigênio, nitrato ou sulfato). Já no

catabolismo fermentativo não há um oxidante: o processo ocorre devido ao rearranjo

dos elétrons na molécula fermentada, de tal forma que se formam no mínimo dois

produtos. Geralmente, há necessidade de várias fermentações seqüenciais para que

os produtos se tornem estabilizados, isto é, não mais susceptíveis à fermentação

(VAN HAANDEL e LETTINGA, 1994).

As principais características dos catabolismos oxidativo e fermentativo estão

apresentadas na Tabela 2.

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TABELA 2 - PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DOS CATABOLISMOS OXIDATIVO E FERMENTATIVO.

Característica Catabolismo oxidativo

(respiração) Catabolismo fermentativo

(fermentação)

Doador de elétrons Matéria orgânica Matéria orgânica oxidada

Aceptor de elétrons Externo: composto inorgânico (oxigênio, nitrato ou sulfato)

Interno: matéria orgânica reduzida

Número de produtos finais resultantes da matéria orgânica

01 (CO2) No mínimo 02 (CO2 e CH4)

Forma do carbono no produto final

Carbono inorgânico oxidado (CO2)

Carbono inorgânico oxidado (CO2) + carbono orgânico reduzido (CH4)

Estado de oxidação do carbono no produto final

4+ (CO2) 4+ (CO2) + 4- (CH4)

FONTE: ADAPTADO DE SPERLING, 1996.

4.2.3. Geração de Energia nas Células Microbianas

A geração de energia nas células microbianas pode ser efetuada,

dependendo do microrganismo, por meio da respiração (catabolismo oxidativo) ou

fermentação (catabolismo fermentativo). A substância oxidada pode ser tanto a

matéria orgânica, quanto compostos inorgânicos reduzidos – ambos são, portanto,

doadores de elétrons. O elétron retirado da molécula oxidada é transferido através

de complicadas reações bioquímicas com o auxílio de enzimas a outro composto

inorgânico (agente oxidante), o qual recebe a denominação genérica de aceptor de

elétrons. O aceptor de eletros, como resultado, tem o seu estado de oxidação

reduzido (SPERLING, 1996).

Os principais aceptores de elétrons estão listados em ordem decrescente de

liberação de energia na Tabela 3.

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TABELA 3 - ACEPTORES DE ELÉTRON TÍPICOS DE REAÇÕES DE OXIDAÇÃO NO TRATAMENTO DE ESGOTOS

Condições Aceptor de elétron Forma do aceptor

após reação Processo

Aeróbias Oxigênio (O2) H2O Metabolismo aeróbio

Anóxicas Nitrato (NO3-) Nitrogênio gasoso (N2)

Redução de nitratos (desnitrificação)

Anaeróbias

Sulfato (SO42-)

Dióxido de carbono (CO2)

Sulfeto (H2S)

Metano (CH4)

Redução de sulfatos (dessulfatação)

Metanogênese

FONTE: ADAPTADO DE SPERLING, 1996.

Quando vários aceptores de elétron se encontram disponíveis no meio, o

sistema utiliza aquele que produz a mais alta quantidade de energia. Por essa razão,

o oxigênio dissolvido é utilizado primeiramente e, após a sua exaustão, o sistema

deixa de ser aeróbio. Caso haja nitratos disponíveis no meio líquido, os organismos

aparelhados a utilizar o nitrato na respiração passam a fazê-lo, convertendo o nitrato

a nitrogênio gasoso (desnitrificação). Estas condições recebem um nome específico,

sendo designada como anóxicas (ausência de oxigênio dissolvido, mas presença de

nitratos). Quando estes se extinguem, têm-se as condições anaeróbias estritas.

Nestas, são utilizados os sulfatos, os quais são reduzidos a sulfetos, e o dióxido de

carbono, que é convertido a metano. Enquanto houver substâncias de maior

liberação de energia, as inferiores não são utilizadas (ARCEIVALA, 1981).

A etapa de metanogênese pode ocorrer por dois caminhos. O primeiro

caminho é o processo oxidativo da metanogênese hidrogenotrófica (produção de

metano a partir de hidrogênio), na qual o dióxido de carbono atua como aceptor de

elétrons, sendo reduzido a metano. Este caminho é menos importante em termos de

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conversão global, mas pode ser realizado por praticamente todas as bactérias

metanogênicas. A segunda via é da metanogênese acetotrófica (produção de

metano a partir de acetato), em que o carbono orgânico, na forma de acetato (ácido

acético) é convertido a metano. Esta via é responsável pela maior parte das

conversões, embora seja realizada por poucas espécies de bactérias

(LUBBERDING, 1995).

Há organismos adaptados funcionalmente para as diversas condições de

respiração, distinguindo-se os seguintes de fundamental importância no tratamento

de esgotos, segundo Lubberding (1995) temos:

Organismos aeróbios estritos: utilizam apenas o oxigênio livre na sua

respiração;

Organismos facultativos: utilizam o oxigênio livre ou nitratos como aceptores

de elétron;

Organismos anaeróbios estritos: utilizam sulfato ou o dióxido de carbono

como aceptores de elétron, não podendo obter energia através da respiração

aeróbia.

As principais reações para a geração de energia que ocorrem em condições

aeróbias, anóxicas e anaeróbias são:

Condições aeróbias:

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O (1)

Condições anóxicas: redução de nitratos (desnitrificação)

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2 NO3--N + 2 H+ N2 + 2,5 O2 + H2O (2)

Condições anaeróbias: redução dos sulfatos (dessulfatação)

CH3COOH + 2 H+ H2S + 2 H2O + 2 CO2 (3)

Condições anaeróbias: reduções de CO2 (metanogênese hidrogenotrófica)

4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O (4)

Condições anaeróbias: metanogênese acetotrófica

CH3COOH CH4 + CO2 (5)

4.2.4. Microbiologia da Digestão Anaeróbia

A digestão anaeróbia pode ser considerada como um ecossistema onde

distintos grupos de microrganismos trabalham interativamente na conversão da

matéria orgânica complexa em: metano, gás carbônico, água, gás sulfídrico e

amônia, além de novas células bacterianas Os microrganismos que participam do

processo de decomposição anaeróbia podem ser divididos em três grupos de

bactérias, com comportamentos fisiológicos distintos (LACAMP et al., 1992):

Bactérias fermentativas: que transformam, por hidrólise, os polímeros em

monômeros, e estes em: acetato, hidrogênio, dióxido de carbono, ácidos

orgânicos de cadeia curta, aminoácidos e outros produtos como glicose;

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Bactérias acetogênicas: produtoras de hidrogênio, o qual converte os

produtos gerados pelo primeiro grupo (aminoácidos, açúcares, ácidos

orgânicos e álcoois) em acetato, hidrogênio e dióxido de carbono;

Bactérias metanogênicas: os produtos finais dos grupos de bactérias citadas

acima constituem os substratos essenciais para este grupo, um grupo usa o

acetato, o transformando em metano e dióxido de carbono, enquanto o outro

produz metano, através da redução do dióxido de carbono. Uma

representação esquemática dos grupos bacterianos e fases da digestão

anaeróbia são mostradas na Figura 5.

FIGURA 05: ROTAS METABÓLICAS E GRUPOS MICROBIANOS ENVOLVIDOS NA DIGESTÃO ANAERÓBIA DA MATÉRIA ORGÂNICA.

FONTE: CHERNICHARO, 1997, P. 25 APUD SPRENGER, 2009 P. 15.

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4.2.5. Formação de Metano nos Reatores Anaeróbios

Embora as rotas individuais envolvidas na formação de metano ainda não

estejam completamente estabelecidas, avanços têm sido conseguidos nas últimas

décadas em direção a este entendimento. As espécies de bactérias metanogênicas

são capazes de utilizar somente o hidrogênio e o gás carbônico para seu

crescimento e formação de metano, enquanto outras são capazes de utilizar o ácido

fórmico, o qual é antes convertido em hidrogênio e gás carbônico. Pelo menos duas

espécies de Methanosarcina são capazes de formar metano a partir de metanol ou

ácido acético (LACAMP et al., 1992).

Existem dois mecanismos básicos de formação do metano: i) pela clivagem

do ácido acético; e ii) pela redução do gás carbônico. Estes mecanismos podem ser

descritos como a seguir, segundo Lacamp (1992):

Na ausência de hidrogênio, a clivagem do ácido acético conduz à formação

de metano e gás carbônico. O grupo metil do ácido acético é reduzido a

metano, enquanto o grupo carboxílico é oxidado a gás carbônico:

C*H3COOH C*H4 + CO (6)

Grupo bacteriano envolvido: metanogênicas acetoclásticas.

Quando o hidrogênio se encontra disponível, a maior parte do metano

restante é formada a partir da redução do gás carbônico. O CO2 atua como

um aceptor dos átomos de hidrogênio removidos dos compostos orgânicos

pelas enzimas. Uma vez que o gás carbônico encontra-se sempre presente

em excesso em um reator anaeróbio, sua redução a metano não é o fator

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limitante no processo. O mecanismo de formação de metano a partir da

redução do dióxido de carbono é como a seguir:

CO2 + 4 H2 CH4 + 2H2O (7)

Grupo bacteriano envolvido: metanogênicos hidrogenotróficas.

A composição global do biogás produzido durante a digestão anaeróbia varia

de acordo com as condições ambientais presentes no reator. Esta composição muda

rapidamente durante o período inicial de partida do sistema e também quando o

processo de digestão é inibido. Para reatores operando de maneira estável, a

composição do biogás produzido é razoavelmente uniforme. Entretanto, a proporção

de gás carbônico em relação ao metano pode variar substancialmente, dependendo

das características do composto orgânico a ser degradado. No processo de digestão

de esgotos domésticos as proporções típicas de metano e dióxido de carbono no

biogás são: CH4: 70 a 80%; CO2: 20 a 30% (CHERNICHARO, 1997).

O metano produzido no processo de digestão anaeróbica é rapidamente

separado da fase líquida, devido a sua baixa solubilidade em água, resultando num

elevado grau de degradação dos despejos líquidos, uma vez que este gás deixa o

reator com a fase gasosa. O dióxido de carbono, ao contrário, é bem mais solúvel

em água que o metano, saindo do reator parcialmente como gás e parcialmente

dissolvido no efluente líquido (CHERNICHARO, 1997).

De forma resumida, a digestão anaeróbia pode ser considerada um processo

de duas fases. Na primeira, uma diversidade de bactérias fermentativas transforma

inicialmente os compostos orgânicos complexos em compostos solúveis e, por

último, em ácidos graxos voláteis de cadeia curta. Na segunda fase, as bactérias

metanogênicas utilizam os produtos fermentados na primeira fase, convertendo-o

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em metano. Dessa forma, a etapa de fermentação, mesmo possibilitando a

conversão de uma parte da fonte de energia em dióxido de carbono e de parte da

matéria orgânica em novas células, não é um processo adequado, nem para o

retorno do carbono orgânico para a atmosfera, nem para a sua retirada do despejo.

Todavia, quando o hidrogênio é formado, este representa um produto gasoso que

escapa do meio, ocasionando, portanto uma redução do conteúdo de energia do

despejo (HORAN, 1990).

Muitos dos ácidos e alcoóis produzidos na fase inicial de fermentação são

vertidos em um gás bastante insolúvel, o metano, que escapa do meio, propiciando

assim o principal mecanismo de reciclagem do carbono orgânico em condições

anaeróbias. Com exceção das perdas devido à ineficiência microbiana, quase toda a

energia removida do sistema é recuperada na forma de gás metano. Entretanto, a

formação de metano não completa o ciclo de carbono, a menos que este seja

oxidado a dióxido de carbono, biologicamente ou por combustão, de forma a se

tornar disponível para a reciclagem através da fotossíntese (CHERNICHARO, 1997).

4.3. REATORES ANAERÓBIOS

No Brasil, para o tratamento de esgotos sanitários, os principais tipos de

reatores que vêm sendo utilizados são: decanto-digestores, filtros anaeróbios,

lagoas anaeróbias, reatores anaeróbios de manto de lodo e, mais recentemente, os

reatores anaeróbios de leito expandido ou fluidificado (CAMPOS, 1999).

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4.3.1. Reatores Anaeróbios de Manto de Lodo

Os reatores anaeróbios de manto de lodo, no Brasil, podem ser encontrados

com as seguintes denominações: RALF (Reator Anaeróbio de Lodo Fluidizado),

UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), DAFA (Digestor Anaeróbico de Fluxo

Ascendente), RAFA (Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente).

O funcionamento dos reatores segue a seguinte seqüência: o efluente chega

a um distribuidor central, de onde é encaminhado por dutos para o fundo do reator,

como pode ser melhor visualizado na Figura 05. O grande efeito se dá devido à

velocidade ascensional, baixa o suficiente para o efluente subir lentamente,

passando pelo manto de lodo, onde efetivamente é feita a remoção e conversão dos

sólidos, em outros subprodutos. A parte convertida em gás segue para o defletor de

gases. Conforme o volume de lodo vai crescendo, este é retirado, a cada 30 dias.

FIGURA 06: REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DE UM REATOR UASB.

FONTE: CHERNICHARO, 1997.

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4.3.2. ETE Atuba Sul

A ETE Atuba Sul é a maior estação de tratamento do Paraná com processo

anaeróbio. Está localizada no Município de Curitiba (Paraná) e está inserida na

Bacia do Alto Iguaçú, tendo como corpo receptor de seus efluentes o Rio Atuba.

A ETE Atuba Sul opera com 16 reatores anaeróbios, vazão média de 730 l/s

(em 2010), e vazão nominal de 1.200 l/s, conforme fluxograma abaixo, atendendo

cerca de 400 mil habitantes. Em 2010 a estação apresentou uma eficiência média de

72% na remoção da carga orgânica e geração de lodo em cerca de 300 t/mês,

destinado à agricultura.

Para atender os requisitos legais e o aumento na rede coletora, já está

implantado um sistema de pós-tratamento, composto de unidades de coagulação,

floculação e flotação por ar dissolvido. Com isto, a população atendida até final de

2013 será de aproximadamente 750.000 habitantes e vazão nominal de 1.760 l/s.

Sendo este processo alvo de uma parceria de estudo para a viabilidade técnica do

reuso do efluente tratado. Portanto, a partir destes quesitos a ETE Atuba Sul possui

um grande potencial de reaproveitamento do biogás produzido no processo de

tratamento de esgoto doméstico.

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FIGURA 07: FLUXOGRAMA DO PROCESSO DE TRATAMENTO ETE ATUBA SUL.

FONTE: SPRENGER, 2009.

4.3.3. ETE Ouro Verde

A ETE Ouro Verde (figura 08) opera com reatores anaeróbios, vazão média

de 36 l/s (em 2010), e vazão nominal de 60 l/s, atendendo cerca de 17,5 mil

habitantes. Em 2010 a estação apresentou uma eficiência média de 73% na

remoção da carga orgânica e geração de lodo de 20 toneladas de matéria seca de

lodo destinado a agricultura.

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FIGURA 08: ETE OURO VERDE

FONTE: SANEPAR, 2008.

A ETE Ouro Verde é pioneira na geração de energia a partir do Biogás,

segundo a Sanepar (2010), o processo de produção de energia limpa na ETE Ouro

Verde consiste na utilização do gás metano, subproduto do tratamento de esgoto,

para a geração de energia. Dessa forma, o esgoto doméstico produzido por cerca de

17,5 mil pessoas é convertido em energia elétrica, a mesma possui ainda células

fotovoltaicas para a produção de a partir da luz solar, assim constituindo um sistema

híbrido entre energia solar e energia a partir do biogás.

O sistema tem potencial para gerar até 16.000 kWh/ano, equivalente ao

consumo anual de cinco residências. Toda a operação deste sistema funciona com a

energia produzida na própria ETE, que consome 68 kW/h por mês em todos os seus

processos. Os resultados obtidos na unidade-piloto são estratégicos para a

Companhia, que tem na energia elétrica sua segunda maior despesa de operação.

Se estendido a todas as estações de tratamento da Sanepar, o processo adotado

em Foz do Iguaçu se seguido por todas as ETE´s da Sanepar poderá gerar uma

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economia da ordem de R$ 3 milhões por ano para a Companhia, servindo como

referência para outras empresas do setor.

A Sanepar é a primeira companhia de saneamento do Brasil a utilizar o

biogás para a produção de energia elétrica, com disponibilização do excedente

dessa energia em rede de baixa tensão da Companhia Paranaense de Energia

(Copel) – a energia produzida pelo sistema é maior do que a demanda energética da

estação. O uso do excedente foi autorizado em 2008 pela Agência Nacional de

Energia Elétrica (ANEEL).

Desde que entrou em operação, a unidade-piloto evitou que mais de 1,5

toneladas de gás metano fossem lançadas na atmosfera. O metano é um dos gases

que mais contribuem para o aquecimento global, sendo 21 vezes mais danoso ao

meio ambiente do que o gás carbônico, contribuindo para o efeito estufa.

O projeto integra o Programa de Geração Distribuída, desenvolvido em

parceria com Itaipu Binacional, Copel, Instituto Ambiental do Paraná, Fundação PTI

e Cooperativa LAR. Atualmente pesquisadores da Sanepar e da Copel estudam

outras formas de aperfeiçoar a geração e uso de energia renovável na área de

saneamento. Além de aproveitar o efluente tratado para geração de energia elétrica,

está sendo avaliado o aproveitamento do biogás para secagem térmica de lodo de

esgoto.

4.4. BIOGÁS: PRODUÇÃO, CARACTERÍSTICAS E INFLUÊNCIAS

Biogás é uma mistura resultante da fermentação anaeróbia de material

orgânico encontrado em resíduos animais e vegetais, lodo de esgoto, lixo ou

efluentes industriais, como vinhaça, restos de matadouros, curtumes e fábricas de

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alimentos (SILVA, 2004). A composição típica do biogás é cerca de 60% a 80% de

metano, 10% a 25% de nitrogênio, 5% a 10% de dióxido de carbono e de 1% a 5%

de uma mistura de hidrogênio, amônia, ácido sulfídrico, monóxido de carbono,

aminas voláteis e oxigênio (NOYOLA et al, 2006). Dependendo da eficiência do

processo, influenciado por fatores como carga orgânica, pressão e temperatura

durante a fermentação, o biogás pode conter entre 40% e 80% de metano.

O gás metano é o combustível do biogás, portanto, será mais puro quanto

maior for seu teor, estando seu poder calorífico diretamente relacionado com a

quantidade existente na mistura gasosa (CASSINI et al, 2003).

O Poder Calorífico Inferior (PCI) do biogás é de cerca de 5.500 kcal/m³

quando a proporção de metano é de aproximadamente de 60% (CASSINI et al,

2003). Vários fatores influenciam na produção do biogás. Como ele é produzido por

bactérias, os mesmos fatores que as afetam comprometerão diretamente a formação

do biogás. Alguns dos fatores que devem ser controlados são:

Impermeabilidade ao ar, pois as bactérias metanogênicas que

produzem o biogás são essencialmente anaeróbias;

Alcalinidade e pH, pois as bactérias que produzem metano sobrevivem

na estreita faixa de pH 6,5 a 8,0. A relação entre as bactérias que

produzem ácidos e as que consomem deve ser muito equilibrada;

Temperatura, pois as bactérias metanogênicas são muito sensíveis a

alterações de temperatura (faixa ideal de 35 a 45 °C);

Teor de água no biodigestor deve variar de 60% a 90% do peso do

conteúdo total;

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Nutrientes: Os principais nutrientes das bactérias são carbono, saís

orgânicos, fósforo e nitrogênio. Deve-se manter uma relação de

carbono para nitrogênio entre 20:1 e 30:1.

4.5. GERAÇÃO DE ENERGIA A PARTIR DO BIOGÁS

O biogás é gerado na decomposição anaeróbia dos resíduos orgânicos,

dejetos de animais, efluentes domésticos, assim como resíduos produzidos por

matadouros, fábrica de laticínios, entre outros. O grande volume de resíduos com

potencial de geração do biogás torna essa conversão energética uma solução para

agregar ganho ambiental, pela destinação adequada dos resíduos, aliada à redução

das emissões de metano em razão de seu potencial energético de reaproveitamento

(SILVA et al., 2004).

Para a conversão energética do biogás existem duas maneiras: a energia

química contida em suas moléculas pode ser convertida em energia mecânica por

um processo de combustão controlada, onde a energia mecânica ativa um gerador

que a converte em energia elétrica; e pode ser utilizado para queima direta em

caldeiras para co-geração. Assim, o biogás pode gerar tanto energia elétrica, quanto

térmica (SILVA et al., 2004).

Existem diversas tecnologias para a conversão do metano em energia

elétrica, dentre elas estão as células de combustível, microturbinas, turbinas a gás e

motores de combustão interna. Os motores de combustão interna são divididos em

motores de ignição por centelha, ou Otto, e de ignição por compressão, ou Diesel.

A diferença básica entre o ciclo Otto e o Diesel está na forma em que ocorre a

combustão. No ciclo Diesel, a combustão ocorre pela compressão do combustível na

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câmara de combustão, enquanto no ciclo Otto, a combustão ocorre pela explosão do

combustível através de uma fagulha na câmara de combustão. O ciclo Otto consiste

em expansão/resfriamento adiabático, seguido de resfriamento a volume constante,

aquecimento/compressão adiabático e aquecimento a volume constante. A válvula

de entrada de ar abre no tempo preciso para permitir a entrada de ar (misturado ao

combustível) no cilindro. A vela dá ignição na mistura no cilindro, o que cria a

explosão. A força da explosão é transferida ao pistão. O pistão desce e sobe em um

movimento periódico. A força do pistão é transferida através da manivela para o eixo

de transmissão (PECORA, 2006). Segundo Salomon (2007), as principais

características desses sistemas são:

Utilizados para pequenas e médias demandas elétricas, (centenas de kW até

dezenas de MW);

Podem utilizar diversos tipos de combustíveis líquidos e gasosos, tais como

óleo diesel, óleo pesado, gás natural, biogás ou ainda uma mistura deles.

Sendo esses fatores muito vantajosos, pois torna o sistema flexível;

A relação energia térmica/energia mecânica é menor que os outros

acionadores primários, o que pode ser interessante para a cogeração no setor

terciário;

A eficiência dos motores de combustão interna não é tão sensível às

condições ambiente locais (temperatura, pressão e umidade) quanto são as

turbinas a gás;

As instalações são modulares e flexíveis, com isto o tempo de construção de

uma central é curto e a entrada em operação (start-up) é rápida, além de

serem apropriadas para as condições de partidas e paradas diárias;

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Possui alta relação potência/peso;

Requerem manutenções mais freqüentes.

As Turbinas a gás foram desenvolvidas a partir das turbinas usadas em

aviação, onde o fluido é o gás da câmara de combustão. São compostas por um

compressor de ar, câmara de combustão e turbina, O compressor é acionado pela

própria turbina. Na turbina a gás estacionária o dimensionamento é feito para que os

gases de exaustão da turbina saiam em velocidade baixa, aumentando a geração de

energia da turbina e, portanto, gerando um excedente de energia para o gerador. Há

modelos adaptados para a geração com biogás como o: Solar Turbines e do Grupo

Caterpillar (PECORA, 2006).

As Microturbinas são pequenas turbinas de combustão que operam na faixa

de 20 a 250 kW, com elevadas velocidades de rotação e diversos tipos de

combustível, como gás natural, biogás, GLP (gás liquefeito de petróleo), gás de

poços de petróleo e plataformas offshore, diesel/gás e querosene. Nas microturbinas

o ar é aspirado e forçado para o interior da turbina a alta velocidade e alta pressão.

O ar é misturado ao combustível e queimado na câmara de combustão, onde o

processo de queima é controlado para se obter a máxima eficiência e baixos níveis

de emissão. Os gases produzidos na queima sofrem expansão nas palhetas da

turbina, produzindo trabalho. Os gases não aproveitados são exauridos para a

atmosfera (PECORA, 2006).

As Células a combustível são dispositivos eletroquímicos que convertem

diretamente a energia química da mistura combustível/agente oxidante em

eletricidade permitindo elevadas eficiências. Processo semelhante ao de uma

bateria que é constantemente recarregada envolvendo dois reagentes (hidrogênio e

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ar). Atualmente existem quatro tipos de células caracterizadas pelo eletrólito

utilizado, são elas: eletrólito polimérico ou membrana de intercâmbio protônico

(PEMFC), ácido fosfórico (PAFC), de carbonato fundido (MCFC) e de óxido sólido

(SOFC) (SALOMON, 2007).

As turbinas a gás e os motores de combustão interna do tipo ―Ciclo Otto‖ são

as tecnologias mais utilizadas na conversão do biogás em energia elétrica.

Nas décadas de 1950 e 1960, a relativa abundância das fontes de energia

tradicionais desencorajou a recuperação de biogás na maioria dos países

desenvolvidos, apenas com países com poucos recursos de capital e energia, como

a Índia e a China, o biogás desempenhou papel de certa importância, sobretudo em

pequenos aglomerados rurais. A partir da crise energética dos anos 1970 o gás

metano dos digestores anaeróbios voltou a despertar o interesse geral, conduzindo

a aumento de sua produção nos países europeus (CASSINI et al., 2003).

Hoje em dia o aproveitamento do biogás tem sido empregado na maioria dos

casos em Aterros Sanitários e Biodigestores rurais, que teve como incentivo do

Protocolo de Kyoto, através dos projetos de Mecanismos de Desenvolvimento Limpo

(MDL). A exemplo disso, temos o Aterro de Bandeirantes em São Paulo, que além

de comercializar os créditos pelas emissões evitadas, ainda gera 20 MWh/mês de

energia com o aproveitamento do biogás.

O aproveitamento do valor energético do biogás gerado pela digestão

anaeróbia de resíduos, além de contribuir para a conservação do meio ambiente,

traz benefícios para a sociedade (SILVA et al., 2004). Tais como:

Colabora com a não dependência de uma fonte não-renovável de energia;

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Possibilita a geração descentralizada de energia (pode ser usado em

comunidades distantes);

Diminui a emissão de Gases de Efeito Estufa (GEE);

Colabora para a viabilidade econômica dos aterros sanitários e das estações

de tratamento de esgoto, contribuindo para o saneamento básico;

Promove a utilização ou reaproveitamento de recursos renováveis que seriam

―desperdiçados‖ (o biogás é um gás residual do processo);

Aumento da oferta de energia;

Reduz os odores e as toxinas do ar que contribuem para a poluição do ar

local.

4.6. APROVEITAMENTO ENERGÉTICO EM ESTAÇÕES TRATAMENTO DE

ESGOTO

Segundo dados do Sistema Nacional de Informação em Saneamento (2006),

a energia elétrica representa 16% do custo total de exploração do setor, o

equivalente a R$ 2 bilhões anuais. Depois da folha de pagamento, a energia elétrica

é a maior despesa das companhias. Como prova disso, a Companhia de

Saneamento do Paraná (Sanepar) é uma das maiores clientes da concessionária de

energia do Estado, a Copel.

As ETE’s que utilizam o processo aeróbio têm um consumo de energia muito

superior aos das ETE’s anaeróbias, pois necessitam dela para mover os aeradores

responsáveis por injetar ar no processo. Além disso, as ETE’s anaeróbias geram

como subproduto, o gás metano que pode ser usado como insumo energético.

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O aproveitamento energético do biogás foi um ponto de vista adotado pelos

países desenvolvidos há algumas décadas, como conseqüência da melhora do

saneamento ambiental e com a questão sanitária bastante avançada, as estações

de tratamento que geram biogás passam a ser tratadas como ―Plantas de Biogás‖,

pois além de promover a degradação da matéria orgânica do elfuente, a mesma

gera como subproduto o biogás, onde o energético é o carro-chefe e o saneamento,

em si, é um co-produto (em alguns casos, chegando mesmo a ser um subproduto).

As ―Plantas de Biogás‖, em diversas configurações e escalas, já são amplamente

utilizadas nos países desenvolvidos há mais de 30 anos, sendo este sistema

considerado como uma forma eficaz e eficiente de tratar resíduos orgânicos de

origem doméstica, industrial ou rural, ao mesmo tempo em que promove o uso

racional de seu potencial energético e alto teor de nutrientes (CENBIO, 2000).

O aproveitamento energético em ETE’s não é uma prática muito adotada no

Brasil. Na maioria dos casos são apenas para fins de pesquisa, sem ser aplicado de

forma genérica nos novos projetos das estações, principalmente pela questão

econômica. Atualmente, o gás é geralmente queimado ou até mesmo lançado

diretamente para atmosfera.

Foram feitas pesquisas de aproveitamento do biogás através dos processos

diretos de queima em projetos visando à secagem e higienização do lodo de ETE,

transformando-o num produto livre de patógenos, com menor teor de umidade para

o seu transporte até os centros agrícolas, reduzindo os custos de operação dos

sistemas de tratamento (CASSINI et al., 2003).

Outro projeto, desenvolvido por Pecora (2006), visou analisar o desempenho

de microturbinas e motores ciclo Otto para geração de energia elétrica com biogás e

a possibilidade de utilização dessas tecnologias em outras ETEs do Estado de São

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Paulo. Para isso, cerca de 20 m³ do biogás produzido na ETE da SABESP, em

Barueri-SP, alimentam uma microturbina e um grupo gerador (ciclo Otto), em

paralelo, ambos de 30 kW. Ao final do estudo concluiu-se que o projeto com melhor

viabilidade econômica seria o motor de ciclo Otto.

Recentemente, a Sanepar inaugurou seu protótipo de geração de energia

com biogás em Foz do Iguaçú na ETE - Ouro Verde, o qual faz parte do Projeto de

Geração Distribuída. Por meio de iniciativa da Itaipu Binacional, a Sanepar

juntamente com a Companhia Paranaense de Energia (Copel), Cooperativa Lar,

Instituto Ambiental do Paraná (IAP), Fundação Parque Tecnológico de Itaipu (FPTI),

Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento (Lactec), Instituto de Tecnologia

Aplicada e Inovação (ITAI), constituíram o Programa de Geração Distribuída de

Energia.

Geração distribuída é como se denomina o sistema que gera energia elétrica

pelo(s) próprio(s) consumidor(es) ou próximo(s) desses, independente da potência,

tecnologia e fonte de energia. Dependendo as condições locais, essa energia pode

ser comercializada com a companhia de energia, prática já existente em outros

países.

O Programa contempla sistemas que permitem a conversão do biogás gerado

no tratamento de resíduos em energia elétrica por meio de um grupo moto-gerador,

bem como geram energia térmica por meio de trocadores de calor. A energia elétrica

gerada é utilizada na própria unidade e a energia excedente é comercializada com a

companhia de energia, por meio do sistema de geração distribuída.

No caso do protótipo da Sanepar, o biogás gerado no tratamento do esgoto

doméstico é convertido em energia elétrica e a energia produzida é utilizada para a

operação da ETE. Além disto, procurando aperfeiçoar a geração de energia

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renovável, foi instalado um sistema que utiliza energia solar para geração de energia

elétrica, o que complementa este sistema híbrido de energias renováveis. Assim, a

energia elétrica gerada é comercializada com a Copel e a energia térmica será

futuramente utilizada para acelerar o processo de secagem do lodo.

Segundo Weber, (2008), o sistema de aproveitamento energético da ETE

Ouro Verde é constituído de coleta, filtração e armazenamento do biogás e geração

de energia elétrica (Figura 9).

O biogás gerado no reator anaeróbio do tipo UASB é coletado e conduzido

por tubulação em PVC, passando por um filtro de limalha de ferro destinado à

retirada de grande parte do gás sulfídrico (H2 e de umidade). Em seguida há um

medidor de vazão do biogás para fins de controle operacional. Para fins de

flexibilidade operacional, antes de o biogás ser armazenado no contentor de gás, há

um sistema de queima do gás caso o sistema de geração de energia esteja em

manutenção, por meio de um flare (queimador) automático. Este queimador conta

com baterias para seu acionamento, sendo carregadas por meio da energia gerada

no painel solar de energia elétrica (WEBER, 2008).

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FIGURA 09: CROQUI DO SISTEMA PROPOSTO PARA COLETA, ARMAZENAMENTO E GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA.

FONTE: SANEPAR (2008).

A partir do contentor de gás, o biogás é então, conduzido ao grupo moto-

gerador com potência de 25 kVA - modelo GW 25, o qual é acionado manualmente

por um painel de comando. A energia gerada é distribuída para toda a estação de

tratamento, sendo utilizada para iluminação, alimentação de equipamentos de

laboratório, carregamento de baterias, funcionamento de compressor, medidor de

vazão e sistema de segurança. O sistema funciona em paralelo com a energia

provida pela Copel, em caso do sistema não estar em operação (WEBER, 2008).

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5. METODOLOGIA DA PESQUISA

Este trabalho foi desenvolvido a partir de dados históricos de 2008 a 2010 da

Companhia de Saneamento do Paraná – Sanepar, obtidos de duas estações de

tratamento de esgoto sanitário com processos anaeróbios, sendo elas: ETE Atuba

Sul localizada em Curitiba/PR e ETE Ouro Verde localizada em Foz do Iguaçu/PR.

Os dados foram compilados em tabelas com as seguintes informações: ano

de referência, a vazão da estação e a DQO removida pelo processo.

A partir destas informações foi realizada a estimativa de produção de biogás

por meio de três metodologias de cálculo, aplicadas às referidas estações. Os

métodos escolhidos foram: método UNFCCC, método CENBIO e Método de

Chernicharo. Por serem os mais citados nas literaturas nacionais.

Os resultados destes métodos foram comparados com os valores práticos das

vazões de biogás obtidos na ETE Ouro Verde, e com a estimativa de produção de

biogás obtida da DQO removida realizada por Sprenger (2009) na ETE Atuba Sul, a

fim de verificar se há discrepâncias e assim tentar identificar seus desvios e origens.

Na ETE Atuba Sul foram realizadas três campanhas em dias consecutivos

para a coleta do efluente líquido tratado para a análise do metano solúvel.

5.1. METODOLOGIAS PARA A ESTIMATIVA DA PRODUÇÃO DE METANO

Abaixo serão apresentadas as metodologias adotadas e seus critérios de

cálculos para a determinação da quantidade de metano gerado nas referidas ETE’s

da Sanepar objetos deste estudo.

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5.1.1. Determinação da DQO e Vazão Média

Para a aplicação dos métodos proposto no trabalho, faz necessário obter o

valor da DQO removida e da vazão média das referidas estações de tratamento de

efluentes, para isto foi utilizado os dados fornecidos pela Sanepar. Estes dados

foram obtidos do Inventário de Gases de Efeito Estufa dos anos de 2008, 2009 e

2010, bem como foi consultado a área operacional da empresa para se obter os

dados mais recentes possíveis.

5.1.2. Método UNFCCC

Esta metodologia foi elaborada pela Convenção-Quadro das Nações Unidas

sobre Mudança do Clima (CQNUMC), originalmente em inglês conhecida pela sigla

UNFCCC - United Nations Framework Convention on Climate Change.

A UNFCCC é um tratado internacional que tem por objetivo criar mecanismos

para mitigar o aquecimento global estando este método disponível no site da

UNFCCC conforme equação 8 abaixo:

BEww,treat,y = Qww,y CODinflow,y COD,BL MCFww,treat,BL Bo,ww UFBL GWPCH4 (8)

Os termos da equação 8 se referem a apenas um sistema de tratamento de

esgoto e são definidos a seguir:

BEww,treat,y = emissões de base do sistema de tratamento de águas residuárias

tratadas no ano ―y‖ (tCO2e/ano);

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Qww,y = volume de águas residuárias tratadas no ano ―y‖ (m³/ano);

CODinflow,y = demanda química de oxigênio das águas residuárias tratadas no ano ―y‖

(t/m³);

COD,BL = eficiência da remoção da demanda química de oxigênio do sistema de

tratamento;

MCFww,treat,BL = fator de correção do metano com base no tipo de tratamento e via de

descarga das águas residuárias (conforme Tabela 4);

Bo,ww = capacidade de produção de metano das águas residuárias (o valor padrão do

IPCC para as águas residuárias domésticas é 0,25 kg CH4/kg.DQO);

UFBL = Fator de correção para esclarecer as incertezas do modelo (usa-se o valor

0,89);

GWPCH4 = Potencial de aquecimento global para o metano (21).

TABELA 4 – VALORES PADRÃO DO IPCC PARA FATOR DE CORREÇÃO DO METANO (MCF)

TIPO DE TRATAMENTO DAS ÁGUAS RESIDUÁRIAS E VIA OU SISTEMA DE DESCARGA

MCF

Descarga das águas residuárias no mar, rios ou lagos 0,1

Tratamento aeróbico, bem manejado 0,0

Tratamento aeróbico, operado precariamente ou com sobrecarga 0,3

Digestor anaeróbico para o lodo sem recuperação de metano 0,8

Reator anaeróbico sem recuperação de metano 0,8

Lagoa anaeróbica rasa (profundidade inferior a 2 metros) 0,2

Lagoa anaeróbica profunda (profundidade superior a 2 metros) 0,8

Sistema séptico 0,5

FONTE: ADAPTADO MÉTODO UNFCCC, 2010.

Para este estudo a equação 8 foi adaptada para descarga das águas

residuárias no mar, rios ou lagos, sem considerar o potencial de aquecimento global,

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a fim de se quantificar o metano gerado e não o gás carbônico equivalente,

conforme demonstrado na equação 9 abaixo:

BEww,treat,y = Qww,y CODinflow,y COD,BL MCFww,treat,BL Bo,ww UFBL (9)

onde:

Qww,y = volume de águas residuárias tratadas no ano ―y‖ (m³/ano);

CODinflow,y = demanda química de oxigênio removida das águas residuárias tratadas

no ano ―y‖ (t/m³);

COD,BL = eficiência da remoção da demanda química de oxigênio do sistema de

tratamento (adotado uma eficiência de 50%);

MCFww,treatment = fator de correção do metano (Tabela 1, valor adotado de 0,1) com

base no tipo de tratamento e via de descarga das águas residuárias;

Bo,ww = capacidade de produção de metano das águas residuárias (valor padrão do

IPCC para as águas residuárias domésticas é 0,25 kg CH4/kg.DQO);

UFBL = Fator de correção para esclarecer as incertezas do modelo (usa-se o valor

0,89).

A metodologia acima foi aprovada e consolidada mundialmente para

estimativa base e monitoramento para projetos de MDL (Mecanismo de

Desenvolvimento Limpo) referentes à Recuperação de Metano no tratamento de

esgotos. A metodologia é constantemente atualizada, sendo que a versão 16

aprovada em 26 de novembro de 2010 foi utilizada neste trabalho.

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5.1.3. Método CENBIO

A metodologia do Centro Nacional de Referência em Biomassa (CENBIO,

2011), localizado na Universidade de São Paulo (USP), no Instituto de Eletrotécnica

e Energia, encontra-se no Panorama do Potencial de Biomassa no Brasil, o qual

apresenta um trabalho do levantamento minucioso do potencial do biogás a partir

dos resíduos sólidos urbanos, de biomassa (silvicultura, óleos vegetais, resíduos

agrícolas, agroindustriais e etc.) e esgoto sanitário doméstico, o qual foi usado neste

estudo a seguinte equação:

Metano (t CH4/ano) = (EfTrat TaxaDQO MFEM) - R (10)

onde:

EfTrat = Quantidade de efluente tratado por ano (m³);

TaxaDQO = Taxa de geração de demanda química de oxigênio (t DQO/m³/ano);

= Eficiência do biodigestor (fração adimensional);

MFEM = Máximo fator de emissão de metano (Fração adimensional);

R = Quantidade de metano recuperado (kg CH4/ano).

Segundo o CENBIO (2011), são consideradas as seguintes condições:

Cálculo da Taxa de Demanda Química de Oxigênio (Taxa DQO).

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A geração de carga orgânica para a população do Brasil, segundo Feachem

(1983, in CETESB, 1992), equivale a 0,05 kg DQO por habitante por dia. Segundo a

norma ABNT NBR 7229/93 são utilizados, aproximadamente, 160 litros de água por

dia por habitante nas regiões urbanas, o que equivale a 0,312 kg DQO/m³ de esgoto

gerado. Para os cálculos foi considerado o valor em toneladas de 0,000312.

Cálculo da Eficiência do biodigestor ().

Adotou-se uma eficiência de 50% para os biodigestores anaeróbios com base

na eficiência média desses equipamentos.

Cálculo da Fração Máximo fator de emissão de metano (MFEM).

O valor assumido para o máximo fator de metano é igual ao valor sugerido

pelo IPCC de 0,25 t CH4 por tonelada de DQO.

Cálculo da Quantidade de metano recuperado (R).

A quantidade de metano recuperado é considerada insignificante (igual a

zero).

5.1.4. Método Chernicharo ou Método da DQO Removida

A metodologia da DQO removida foi baseada em uma relação

estequiométrica, referente a processos anaeróbios de tratamento de esgoto,

segundo Chernicharo apud Campos (1999). De acordo com os autores, existe uma

relação estequiométrica entre a quantidade de metano formada e a fração de

matéria orgânica removida. Considerando-se a equação de combustão do metano,

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tem-se que na oxidação completa do metano: 1 mol de CH4 consome 2 mols de O2.

Portanto, teoricamente, nas condições normais de temperatura e pressão (CNTP:

T = 273 K e P = 1 atm), 22,4 litros de metano correspondem a 64 gramas de DQO

removida, ou seja, são gerados 350 litros de CH4 por kg de DQO removida.

Contudo essa relação pode ser menor, pois a geração do metano está

diretamente relacionada à qualidade do esgoto tratado, à eficiência do processo de

tratamento, à variação da vazão de esgoto afluente ao longo da operação, entre

outros fatores. Desta forma a metodologia analisada resultou nas seguintes

equações:

CDQOrem (kg/dia) = Q (DQOaflu - DQOeflu) (11)

onde:

CDQOrem = Carga de DQO removida (kg/dia);

Q = vazão do efluente (l/s);

DQOaflu = DQO do afluente (mg/l);

DQOeflu = DQO do efluente (mg/l).

CH4 (m³/dia) = CDQOrem 0,350 (12)

onde:

CH4 (m³/dia) = produção de metano (m³/dia).

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5.1.5. Medida da vazão de biogás da ETE Ouro Verde

A planta de aproveitamento de energia proveniente do biogás da ETE Ouro

Verde está em plena operação, assim como a mesma possui um medidor de vazão

do biogás integrado ao sistema, os dados são medidos on-line para monitoramento

da produção de biogás. Como os dados são expressos em biogás para efeito do

trabalho, consideramos uma concentração de metano na ordem de 60% do biogás,

dado segundo Sprenger (2009).

FIGURA 10: MEDIDOR DE VAZÃO DE BIOGÁS DA ETE OURO VERDE.

FONTE: SANEPAR, 2008.

5.1.6. Medida da vazão de biogás da ETE Atuba Sul

O dado da vazão de biogás da ETE Atuba Sul foi extraído do trabalho

desenvolvido por Sprenger (2009), segundo a expressão geral que determina a

produção teórica de metano por grama de DQO removida do despejo é como a

seguir (CHERNICHARO, 1997, p. 41):

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VCH4 = DQOCH4 / K(T) (13)

onde:

VCH4 = volume de metano produzido em litros;

DQOCH4 = carga de DQO removida no reator e convertida em metano, em

gramas (gDQO);

K(T) = fator de correção para a temperatura operacional do reator em

gDQO/L.

O fator de correção K(T) é dado pela equação:

K(T) = (P COD) / R (273 + T) (14)

onde:

P = pressão atmosférica (1 atm);

COD = carbono orgânico dissolvido por mol de CH4 = 64 gDQO/mol;

R = constante dos gases (0,08206 atm.l/mol.K);

T = temperatura operacional do reator (°C).

A estimativa teórica possui a limitação de assumir um potencial de produção

de metano que não necessariamente representa o comportamento da ETE Atuba

Sul. A determinação experimental da produção de metano é baseada no teor de

metano do biogás e na vazão de biogás pela tubulação, obtida do produto:

QCH4 = A v N (CH4) (15)

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onde:

QCH4 = vazão de metano no queimador, em m3/s;

A = área do tubo na saída do queimador, em m2;

v = velocidade na saída do queimador, em m/s;

N = número de linhas = 4;

(CH4) = fração volumétrica de metano no biogás, em %;

A velocidade foi medida com anemômetro digital semelhante ao

mostrado na Figura 11. O anemômetro não é rastreado, por inexistência de

laboratório credenciado.

FIGURA 11: MEDIDOR DE VELOCIDADE TIPO ANEMÔMETRO DIGITAL.

FONTE: SPRENGER, 2009.

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5.2. IDENTIFICAÇÃO DA DISCREPÂNCIA ENTRE TEORIA E PRÁTICA

A metodologia utilizada para a identificação das origens dos desvios ocorridos

entre a teoria e a prática, foi a comparação entre os métodos propostos no trabalho,

a observação in-loco na ETE Atuba Sul e a comparação com os dados obtidos pela

empresa de saneamento.

5.3. ANÁLISE DE METANO SOLÚVEL EM EFLUENTE TRATADO

O procedimento empregado para a amostragem e análise de metano

dissolvido foi uma adaptação das metodologias descritas por Alberto et al. (2000) e

Hartley e Lant (2006). Assim, a seguinte metodologia foi aplicada:

Coletar 1 litro de efluente tratado, evitando a aeração da amostra,

num frasco de vidro âmbar.

Separar uma alíquota de cerca de 10 mL do efluente lacrando

imediatamente os frascos. Para tal se utilizaram frascos de vidro de

40 mL do tipo HeadSpace com tampas rosqueáveis e septo

silicone/teflon. Apanhar outra alíquota de 100 mL e transferir para

um frasco erlenmeyer de 250 mL, tampar com uma rolha de silicone

e montar o aparato segundo a Figura 11.

Após coleta, as amostras são armazenadas com temperatura

controlada por 7 dias.

Após 7 dias para a quantificação do biogás os frascos são

homogeneizados por 30 minutos, com agitadores do tipo orbital,

para permitir o estabelecimento do equilíbrio entre a fase líquida e

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gasosa. Na seqüência, com o auxílio de uma microseringa coletar

somente a fase gasosa e analisar por cromatografia a gás com

injeção de 750 L no injetor do aparelho (cromatógrafo Analítica

GC3537, detector TCD, fluxo de 17 mL/min com o gás de arraste

Hélio ultrapuro, coluna empacotada carbowax).

Já para o desenvolvimento dos cálculos para a concentração de metano no

efluente tratado, foi utilizada a medição volumétrica direta de metano, conforme

FIGURA 12, assim após 7 dias sob temperatura controlada, pesou-se a proveta de

10 mL, previamente pesada, para se obter por diferença de massa a concentração

do metano dissolvido, conforme aparato abaixo:

FIGURA 12: APARATO TIPO FRASCO DE MARIOTTE PARA LAVAGEM DO BIOGÁS E MEDIÇÃO DO VOLUME DE METANO PRODUZIDO.

FONTE: AQUINO et al., 2007.

Desta forma o volume de metano produzido pode ser aferido medindo-se o

volume ou peso da solução de hidróxido de sódio deslocado pelo gás lavado. Esse

procedimento assume que o CO2 e o CH4 são os principais constituintes do biogás

formado durante o teste. Essa consideração é válida uma vez que em pH neutro a

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maior parte da amônia (NH3) e metade do sulfeto de hidrogênio (H2S), se presentes,

estarão ionizados e dissolvidos na fase líquida como NH4+ e HS-.

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6. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Nesta etapa é abordado o estudo da geração de metano tomando-se como

base a ETE Atuba Sul e a ETE Ouro Verde. Os dados obtidos foram relacionados

em tabelas para uma melhor visualização.

6.1. ESTIMATIVA DE PRODUÇÃO DE METANO

Conforme descrito na metodologia, foram aplicados os três métodos para a

estimativa de produção de metano nas ETE’s Atuba Sul e Ouro Verde e seus

resultados demonstrados na Tabela 5 abaixo:

TABELA 5 – ESTIMATIVA DE PRODUÇÃO DE METANO

ANO ETE Vazão

média (L/s) DQO removida

(t/ano) UNFCCC

(tCH4/ano) CENBIO

(tCH4/ano) Chernicharo (tCH4/ano)

2008 Ouro Verde

39,98 224,18 9,98 28,02 56,02

2009 40,38 224,70 10,00 28,09 56,15

2010 40,76 224,93 10,01 28,12 56,21

2008

Atuba Sul

724,90 23.882,56 1.062,77 2.985,32 5.968,25

2009 729,00 23.930,01 1.064,89 2.991,25 5.980,11

2010 733,14 23.977,56 1.067,00 2.997,20 5.991,99

6.2. RELAÇÃO ENTRE TEORIA E PRÁTICA

Com base na Tabela 5, foram relacionados para um melhor entendimento os

três métodos, separando-se os valores das duas estações (Tabelas 6 e 7) e

transformando os valores de tCH4/ano para m³CH4/dia, assim comparando-os com

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os valores calculados pela Sanepar e os valores medidos, para este estudo

utilizamos a média aritmética dos resultados nos três anos relacionados. Para a ETE

Ouro Verde se obteve os seguintes resultados:

TABELA 6 - ETE OURO VERDE (m³CH4/dia)

Valor Calculado Sanepar

Volume Metano Medido¹

UNFCCC (m³/dia)

CENBIO (m³/dia)

Chernicharo (m³/dia)

80,00 30,32 38,35 107,73 215,37 ¹ DADOS SPRENGER, 2009.

O volume de metano medido foi ajustado para expressar o valor em metano,

pois a ETE Ouro Verde possui um medidor de vazão que mede a vazão total do

biogás. Para a ETE Atuba sul foram obtidos os dados abaixo relacionados:

TABELA 7 - ETE ATUBA SUL (m³CH4/dia)

Valor Calculado Sanepar

Volume Metano Medido¹

UNFCCC (m³/dia)

CENBIO (m³/dia)

Chernicharo (m³/dia)

3.360,00 1.700,00 4.086,13 11.477,90 22.946,62

1 DADOS SPRENGER, 2009.

6.3. RESULTADOS DA ANÁLISE DE METANO DISSOLVIDO

Seguindo conforme proposto na metodologia foi realizado uma amostragem

com o objetivo de se verificar a composição do metano presente no efluente tratado

a partir da coleta e análise do metano dissolvido realizada em 03 (três) dias

consecutivos no período da tarde, para se obter uma vazão equacionada, segue

abaixo a composição do metano dissolvido (tabela 8):

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TABELA 8 – COMPOSIÇÃO DO METANO (% MOL/MOL)

Parâmetros Amostra

Média 1 2 3

METANO 63,20 58,7 62,1 61,33

ETANO 0,007 0,008 0,001 0,005

PROPANO 0,005 0,005 0,007 0,006

ISOBUTANO 0,004 0,004 0,003 0,004

N-BUTANO 0,010 0,01 0,01 0,010

ISOPENTANO 0,005 0,006 0,004 0,005

N-PENTANO 0,009 0,001 0,01 0,007

N-HEXANO 0,004 0,004 0,005 0,004

CO2 4,03 3,172 2,86 3,35

N2 27,60 30,89 28,23 28,91

O2 5,13 7,2 6,77 6,37

H2 0 0 0 0

Com a seqüência do experimento prático obtivemos por diferença de massa,

utilizando uma balança analítica, a concentração de metano dissolvido no efluente

(tabela 9):

TABELA 9 – CONCENTRAÇÃO DE METANO DISSOLVIDO NO EFLUENTE TRATADO

Amostra Volume

total frasco (mL)

Volume amostra efluente

(mL)

Peso inicial da proveta para coleta amostra [a]

(g)

Peso final da proveta para coleta amostra [b]

(g)

Diferença [b-a] (g)

Conc. CH4 dissolvido

(g/L)

1 250 100 3,6631 3,6641 0,0010 0,0100

2 250 100 3,6633 3,6645 0,0012 0,0120

3 250 100 3,6628 3,6637 0,0009 0,0090

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6.4. DISCUSSÃO SOBRE OS DESVIOS ENCONTRADOS

Na tentativa de identificação das causas da discrepância entre diferentes

métodos de determinação do potencial de produção de biogás na referidas estações

de tratamento de esgoto, foram encontrados alguns desvios que devem ser

analisados (Tabela 10). Os desvios foram calculados da maneira demonstrada pela

Equação 16:

%100

medido Valor

medido Valorteórico Valor % Desvio (16)

TABELA 10 – DESVIOS DOS MÉTODOS CALCULADOS EM RELAÇÃO À PRÁTICA.

ETE OURO VERDE ETE ATUBA SUL

Método

Desvio em relação ao calculado Sanepar

Desvio em relação ao

volume medido

Desvio em relação ao calculado Sanepar

Desvio em relação ao

volume medido

UNFCCC -52% 26% 22% 140%

CENBIO 35% 255% 242% 575%

Chernicharo 169% 610% 583% 1250%

Com base na Tabela 10, observa-se uma grande variação entre os métodos

empregados, bem como uma diferença maior ainda em relação aos valores teórico

em relação ao volume medido. Para tanto se faz necessário discutir os métodos

para elaborarmos uma conclusão.

O método UNFCCC é a metodologia reconhecida pelo IPCC (2011), de

âmbito internacional, o que permite a comparação desses resultados com os dados

de estudos de diferentes países. Além disso, os dados de metano obtidos a partir

desta metodologia podem ser aplicados diretamente no cálculo das emissões de

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GEE (metano) que por sua vez faz-se necessário em caso de querer se conhecer a

viabilidade num projeto de MDL.

O método CENBIO refere-se a um fator relacionado à Taxa de DBO de fossa

séptica (NBR 7229/93), parâmetro este que não se aplica ao tipo de esgoto

doméstico tratado nas ETE’s da Sanepar (Schaedler, Billota e Weber, 2008). Logo o

método proposto por Chernicharo admite uma relação produção de metano e DQO

removida difícil de ser aplicada na prática, a Sanepar empiricamente utiliza um fator

de correção da ordem de 50% para este método, pois depende das condições de

tratamento de cada estação. De acordo com as tabelas 06 e 07, o método que mais

se aproximou com os dados fornecidos pela Sanepar foi o método UNFCCC como

este é um método reconhecido internacionalmente, deve-se preferir utilizá-lo em

relação aos outros em relação a sua vantagem já citada. Contudo se deve observar

o grande desvio em relação ao volume medido, pois no caso da ETE Atuba Sul

observamos um desvio médio de 140% em relação ao calculado e na ETE Ouro

Verde um desvio 26%, ambas utilizando como referência o método UNFCCC.

Assim várias hipóteses podem ser levantadas em relação às discrepâncias

encontradas pelos métodos utilizados dentre eles podemos citar:

Perdas de Biogás pelas tubulações;

Dados superestimados de remoção de DQO;

Variação da vazão do efluente;

Erro na correlação entre DQO e produção de metano;

Perdas de biogás no separador trifásico;

Teor de enxofre no efluente interfere diretamente na produção de metano;

Equilíbrio entre as fases líquidas e gasosas para o metano.

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Com o intuito de elucidar estas questões faz-se necessário a discussão dos

itens levantados acima.

Em relação às perdas pelas tubulações em virtude das mesmas possuírem

pontos de ferrugem pode acarretar na perda de Biogás.

As bactérias acidogênicas e metanogênicas estão utilizando uma parte acima

da considerada de DQO para sua reprodução, assim ocorrem dados aquém do real

para a produção de metano.

A variação da vazão do efluente pode alterar o tempo de retenção hidráulico,

modificando o tempo dos processos internos do RALF.

Para uma mesma quantidade de material orgânico presente no esgoto, a

redução de sulfatos diminui a quantidade de metano produzido. A redução de 1,5

gramas de sulfato é equivalente a utilização de 1,0 grama de DQO (Equação 17), o

que significa uma menor disponibilidade para conversão em metano.

S-2 + 2O2 SO4-2 (17)

O equilíbrio entre as fases líquidas e gasosas para o metano determinado, em

reatores anaeróbios, seria um equilíbrio simples, isto porque o metano é um gás que

não se dissocia em meio aquoso, diferentemente do dióxido de carbono, sulfeto de

hidrogênio e da amônia. Por outro lado, enquanto para o dióxido de carbono

averiguou que o mesmo tende a estarem em um quase equilíbrio sob condições

normais de operação de reator anaeróbios, poucos dados têm sido reportado sobre

a transferência gasosa do metano (PAUSS et al., 1990).

No trabalho desenvolvido por Hartley e Lant (2006), fizeram-se uma avaliação

da condição de saturação de metano no efluente de reatores anaeróbios chegando-

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se a valores verdadeiramente preocupantes, face os valores encontrados. A Tabela

11 mostra tais valores calculados que atingiram pouco menos sete vezes a

saturação dada pela Lei de Henry. Apesar disso, mesmo que as simplificações nos

cálculos tenham incitado superestimação na medida de saturação de metano

dissolvido, fica evidente a importância deste tema e a carência de estudos sobre o

equilíbrio líquido-gás de metano em reatores anaeróbios.

Com isto a análise do metano dissolvido no efluente se faz necessário, pois

segundo Van Haandel e Lettinga (1994) e Noyola et al. (2006) comentam que

parcela expressiva dos gases gerados no processo de tratamento anaeróbio de

esgoto doméstico pode continuar dissolvida no líquido e, deste modo, sair com o

efluente tratado ou encontrar uma outra rota de desprendimento.

TABELA 11 – VALORES CALCULADOS DE SUPERSATURAÇÃO DE METANO NO EFLUENTE DE REATORES ANAERÓBIO

Referências

CH4 saturação (mg/L-1)

[a]

CH4 dissolvido (mg/L-1)

[b]

Grau de saturação

[b/a]

% Perda de CH4 dissolvido [b/CH4 gerado]

Noyola et al. (2006) 17,2 64,5 3,8 85

Noyola et al. (2006) 13,3 57,5 4,3 81

Singh et al. (1996) 13,9 95,3 6,9 85

Nicholas e Harris (1997) 23,0 53,0 2,3 38

Lettinga et al. (1983) 17,9 43,5 2,4 45

Lettinga et al. (1983) 20,3 50,5 2,5 72

Barbosa e Sant’Anna (1989)

17,3 86,5 5,0 79

Kobayashi et al. (1983) 14,0 26,6 1,9 82

FONTE: ADAPTADO DE HARTLEY E LANT (2006).

A lei de Henry admite calcular, para uma dada pressão parcial de um

componente na fase gasosa, a sua concentração de saturação na fase líquida.

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Tanto Agrawal et al. (1997) e Singh e Viraraghavan (1998), fazendo cálculos de

perda de metano no efluente de reatores UASB de acordo com a lei de solubilidade

de Henry, estimaram uma perda, respectivamente, em cerca de 50% e 60% da

produção teórica de metano. Outra citação mais recente (Seghezzo, 2004), sobre a

perda de metano no efluente tratado encontra no seu estudo valores da ordem de

18% da DQO total afluente. Bem como, Keller e Hartley (2003) quantificaram as

perdas de metano dissolvido no efluente pós-tratamento na ordem de 14% da

produção absoluta de metano.

Deste modo após analisar as amostras do efluente líquido tratado da ETE

Atuba Sul, se pode apurar a presença de metano nas mesmas, conforme observado

na Tabela 09, chegando numa média de aproximadamente 22% de perda de metano

dissolvido em relação à produção total estimada conforme Tabela 12 abaixo.

TABELA 12 – PERDA POR METANO DISSOLVIDO NA ETE ATUBA SUL

Vazão média (L/s)

Concentração de CH4

(g.L-1)

Vazão de CH4

(kg/s)

Vazão de CH4

(kg/dia)

UNFCCC (kg CH4/dia)

% perda CH4 dissolvido

729,01 0,010 0,007 629,9 2.917,50 22%

Com base na tabela acima, podemos estimar a perda de potencial energético

da referida planta de tratamento, se caso fosse adotado um sistema de

aproveitamento de energia a partir desse biogás gerado. Com isto na Tabela 13,

convertem-se as concentrações em metros cúbicos por ano e relaciona com o poder

calorífico do metano que é 49,98 MJ/kg, já considerando um rendimento médio de

33% para um gerador do tipo micro-turbina disponível no mercado.

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TABELA 13 – PERDA DE POTENCIAL ENERGÉTICO NA ETE ATUBA SUL.

Concentração de CH4 dissolvido (t/ano)

Perda de potencial energético (MWh/ano)

229,9 1.053,3

Conseqüentemente, com base na tabela acima, verificamos uma enorme

perda do montante de biogás produzido, chegando a se perder em termos

energéticos mais de 1.053,3 MWh/ano.

A demanda de energia tem aumentado exponencialmente nos últimos anos

devido aos avanços tecnológicos, os processos de urbanização e o desenvolvimento

das populações que cada vez mais requerem energia para cumprir suas funções. As

empresas de saneamento possuem um enorme potencial de gerar energia elétrica

em seus processos, através da biomassa, como lodo e metano. Segundo dados do

Sistema Nacional de Informação em Saneamento (SANEPAR, 2010), a energia

elétrica representa 16% do custo total de exploração do setor, o equivalente a R$ 2

bilhões anuais. Como prova disso, a Companhia de Saneamento do Paraná

(Sanepar) tem como segundo maior custo à energia elétrica, perdendo apenas para

o custo operacional com os funcionários.

A demanda elétrica da SANEPAR em 2008 foi de 420 kW (SPRENGER,

2009). Portanto, com, a recuperação do metano dissolvido e uso de tecnologias de

geração com 33% de eficiência seria possível alimentar 29% do consumo de

eletricidade da companhia.

Por conseguinte, se devem buscar alternativas para que ocorra a diminuição

de tal perda. Buscando na literatura informações sobre a recuperação se percebe

que são escassas e na sua maior parte são apenas teorias, poucos experimentos

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foram realizados em torno deste tema. Uma opção apontada por Greenfield e

Batstone (2004) são projetar quedas do esgoto tratado em locais totalmente

cobertos e promover uma aeração (―stripping‖) logo após os reatores anaeróbios.

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7. CONCLUSÃO

Nos processos de tratamento anaeróbios, o biogás gerado é um subproduto

que pode ser utilizado para o aumento da eficiência energética do sistema. Além de

reduzir os custos com energia do setor de saneamento, hoje há um enorme apelo

para as questões ambientais inclusive com diversos incentivos, e até mesmo

facilitações no financiamento destes investimentos proporcionado pelo Protocolo de

Kyoto através dos projetos de MDL, do mercado de créditos de carbono e, além

disso, outros benefícios podem ser atingidos, tais como: redução dos custos através

da gestão de energias renováveis, redução nas emissões de GEE, acréscimo da

oferta de energia, entre outros, a fim de viabilizar a sustentabilidade energética das

estações de tratamento de esgoto minimizando passíveis ambientais e reduzindo os

custos operacionais.

Com este estudo pode-se estimar a produção de metano para uma estação

de tratamento de esgoto com sistema anaeróbio tipo RALF, assim avaliar a

viabilidade econômica do reaproveitamento energético do biogás. Contudo se

devem verificar as discrepâncias apontadas neste trabalho a fim de equacioná-las.

Após avaliação dos métodos, se definiu por utilizar o método UNFCCC, por

ser reconhecido internacionalmente o que permite a comparação desses resultados

com informação de estudos de diferentes países. Além disso, com os dados de

metano obtidos a partir desta metodologia é possível aplicá-los diretamente no

cálculo das emissões de GEE (metano).

Dados apontados por Sprenger (2009) que indicaram que a medida direta da

vazão de biogás no queimador é quase 10 vezes menor que a estimativa de

produção de biogás obtida da DQO removida, foi confirmado na ordem de 3 a 4

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vezes menor neste estudo, através da avaliação realizada entre os valores

calculados em comparação aos valores medidos na prática. Os fatores para esta

discrepância apontaram para uma solubilização do metano no efluente da ordem de

22% do total de metano produzido pelo sistema.

A concentração do metano dissolvido no efluente foi relativamente elevada,

houve uma variação de 0,010 mg/L de metano. O caráter elevado das

concentrações desses parâmetros está associado com a perda de potencial

energético provocado pelo metano dissolvido, apontado assim como uma das

principais fontes de discrepância entre a teoria e a prática. Com isto, Greenfield e

Batstone (2004) avaliaram alternativas para conseguir recuperar os gases

dissolvidos após o reator anaeróbio, assim sugeriram quedas do esgoto tratado em

local totalmente fechado, a fim de recuperar os gases, promovendo a agitação e

aeração deste efluente, juntamente com a captação deste biogás remanescente.

Como a ETE Ouro Verde já está em operação um sistema de geração de

energia a partir do biogás, recomenda-se analisar o efluente tratado para verificar se

ocorre perda por metano dissolvido.

Para trabalhos futuros, recomenda-se observar o potencial energético do lodo

destas estações, pois conforme trabalhos publicados discorrem que as mesmas

podem gerar biogás a partir desta biomassa, bem como o aproveitamento da amônia

presente no mesmo para a geração de energia. Deve-se também aplicar a medição

do biogás nas ETE’s que possuem sistema de geração de biogás, para se conhecer

a real capacidade de produção das mesmas.

Com isto, se conclui que as metodologias adotadas neste estudo são

balizadores, porem se observou que não podemos adotá-las sem antes conhecer as

causas de seus desvios para tentar equacioná-los, pois por mais elaborada e

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confiável que sejam estas metodologias, ainda se está trabalhando com dados

empíricos, as condições de produção de biogás estão intrinsecamente ligadas às

condições operacionais de cada localidade, as quais se modificam ao longo dos

processos, como temperatura, pressão, carga orgânica, vazão, entre outros. Para se

conseguir uma adequada confiabilidade nestes dados sugere-se a medição do

biogás, com equipamentos específicos, os quais podem refletir resultados reais do

processo e assim serem aplicados com menor grau de incerteza.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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