universidade tuiuti do paranÁ ronald...
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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
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
ESTUDO DA PRODUÇÃO DE METANO A PARTIR DA DIGESTÃO
ANAERÓBIA: RELAÇÃO ENTRE TEORIA E PRÁTICA
Curitiba
2011
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
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.
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.
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.
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
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
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.
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
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
11
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
12
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.
13
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.
14
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.
15
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.
16
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
18
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
21
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);
22
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).
23
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.
24
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.
25
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
26
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)
27
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;
28
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.
29
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
30
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
31
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).
32
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.
33
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.
34
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.
35
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
36
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
37
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;
38
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
39
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;
40
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
41
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;
42
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.
43
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
44
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
45
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).
46
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).
47
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.
48
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);
49
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,
50
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.
51
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).
52
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,
53
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).
54
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):
55
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)
56
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.
57
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
58
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
59
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-.
60
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
61
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):
62
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
63
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
64
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.
65
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-
66
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.
67
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
69
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.
70
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
71
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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