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Análise da viabilidade do uso de biogás para a geração de energia elétrica
Tipologia: Teses (TCC)
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Camila Ferreira Soares
Itabira 2011
Camila Ferreira Soares
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade Itabirana de Desenvolvimento das Ciências e Tecnologias como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Ambiental.
Orientador: Andréa Luiza da Silva
Itabira 2011
Tabela 1 Tempo de detenção hidráulica para projeto de reatores UASB 18 Tabela 2 Características químicas dos gases que compõe o biogás 26 Tabela 3 Comparativo entre as tecnologias mais usadas para conversão de gases em energia 37 Tabela 4 Composição química do biogás produzido no reator UASB da ETE Itabira 51 Tabela 5 Volume de sulfeto no biogás gerado na ETE Laboreaux (Julho – Dezembro) 53 Tabela 6 Componentes do gás natural e do biogás 54 Tabela 7 Simulação do rendimento do GNV e Biogás para utilização em Motores Otto 56 Tabela 8 Simulação de custos adotando o sistema com motor ciclo Otto 58
O uso de tecnologias renováveis tem sido cada vez mais viabilizado, (principalmente no setor energético), visto que muitas fontes energéticas utilizadas atualmente necessitam de recursos naturais não-renováveis e por isso são esgotáveis. Além disso, essas matrizes energéticas costumam provocar uma intensa poluição no meio ambiente.
Para substituir as matrizes energéticas atuais, foram criadas várias tecnologias tais como: a tecnologia solar, a eólica, a marítima, a nuclear, entre outras. Contudo nenhuma chegou a substituir efetivamente qualquer modelo de geração de energia elétrica adotado atualmente. Isso ocorre, pois, apesar de serem renováveis, esses modelos exigem um alto investimento para implantação e manutenção, mão-de-obra qualificada, dentre outros empecilhos.
Diante disso o presente trabalho vem analisar e discutir a viabilidade econômica e ambiental da reutilização do biogás gerado em estações de tratamento de esgotos para a geração de energia elétrica.
Os objetivos desse trabalho são: analisar a quantidade de biogás gerada pelo reator UASB na ETE Itabira, analisar o potencial energético do gás produzido e verificar a viabilidade da reutilização do biogás para geração de energia elétrica na estação.
Portanto, a realização desse estudo é importante para a sociedade em geral, para a área acadêmica e também para o meio ambiente, pois viabiliza a relação entre o desenvolvimento e a preservação do meio ambiente com a produção de energia elétrica através de reaproveitamento de Biogás.
O trabalho a seguir foi composto pelos seguintes capítulos: capítulo 1 – Introdução, problema e objetivos do trabalho, capítulo 2 – Referencial teórico sobre os sistemas de tratamento de esgotos, formação e composição do biogás de ETE e descrição de tecnologias usadas para reutilização do gás produzido em estações de tratamento de esgotos, capítulo 3 – metodologia adotada para desenvolvimento da análise e coleta dos dados, capítulo 4 – análise dos dados
coletados a fim de alcançar os objetivos propostos pelo trabalho e capítulo 5 – considerações finais. Além dos Apêndices A e B – contendo os roteiros das entrevistas realizadas durante a confecção do trabalho.
1.1 Problema de pesquisa
Qual a viabilidade econômica e ambiental da reutilização do biogás gerado em Reatores UASB para a geração de energia elétrica nas dependências da Estação de Tratamento de Efluentes de Itabira?
1.2 Objetivo geral
Analisar a viabilidade econômica e ambiental da reutilização do biogás gerado em Reatores UASB para a geração de energia elétrica nas dependências da Estação de Tratamento de Efluentes de Itabira.
1.3 Objetivos específicos
Analisar a quantidade de biogás gerado atualmente na Estação de Tratamento de Esgotos.
Identificar e analisar o potencial energético do biogás gerado na Estação de Tratamento de Efluentes de Itabira.
Analisar a viabilidade econômica e ambiental da reutilização do biogás produzido para a geração de energia elétrica.
Esse trabalho contribuirá de maneira efetiva para a área acadêmica (Engenharia Ambiental), pois abrangerá um tema ainda pouco difundido em instituições de ensino: a aplicabilidade de tecnologias renováveis.
“A recuperação do biogás gerado nas ETE’s contribui o aumento da geração de energia, bem como para cogeração e também reduzindo os impactos ambientais e melhorando a questão do saneamento básico no país.” (LORA; SALOMON, 2007, p. 100)
Para a sociedade em geral, o trabalho irá ajudar na busca de caminhos para a melhoria da qualidade de vida da população, visto que o reaproveitamento de biogás evita a emissão de gases poluentes para a atmosfera (melhorando a qualidade do ar e evitando a proliferação de doenças respiratórias). Além de propiciar desenvolvimento sócio-econômico para os municípios, pois essas tecnologias renováveis podem elevar a renda através de incentivos financeiros e fiscais oferecidos pelo governo como o Programa de Aceleração do Crescimento (PAC).
Portanto, a realização desse estudo torna-se importante para o meio ambiente, pois viabiliza a relação entre o desenvolvimento e a preservação do meio ambiente com a produção de energia elétrica através de reaproveitamento de Biogás.
Neste capítulo serão tratados os sistemas de tratamento de esgotos, modelos de estações de tratamento de esgotos, característica e funcionamento dos reatores anaeróbicos de fluxo ascendente e de manta de lodo (UASB), formação e captação do biogás e seu reaproveitamento para a produção de energia elétrica. Esses assuntos irão fomentar as discussões do trabalho.
2.1 Sistemas de tratamento de esgotos
Os sistemas de tratamento de esgotos surgiram da necessidade de diminuir os impactos provocados pelo lançamento in natura de efluentes líquidos nos corpos hídricos, visto que esta prática pode provocar a poluição dos cursos d’ água e, conseqüente, causar a redução da biodiversidade aquática.
Os sistemas de tratamento de águas residuárias simulam o fenômeno de autodepuração que ocorre nos afluentes em curto período de tempo e em área reduzida. Esse fenômeno produz a redução de poluentes por meio da oxidação de componentes orgânicos até ser obtida a estabilização do meio (MIWA, 2007).
O tratamento é composto por uma série de processos que tem como objetivo reduzir a toxicidade presente no esgoto antes de retorná-lo ao meio ambiente. Diante disso, há a necessidade urgente de se buscar formas alternativas de geração de energia que sejam ambientalmente e economicamente interessantes, tendo em vista que o nosso potencial hidráulico de geração de energia elétrica está se tornando um processo caro e de difícil instalação devido aos impactos ambientais que acaba causando (AZEVEDO et al. , 2004).
Para garantir a eficiência do tratamento de esgotos implantado, devem-se conhecer todas as características do esgoto sanitário produzido no município afluente à estação. Entretanto, para se avaliar a tratabilidade do efluente torna-se necessário o conhecimento das características
As inconveniências deste processo referem-se à susceptibilidade à composição do efluente (cargas de choque), produção elevada de lodo e eficiência do tratamento intrinsecamente relacionada à qualidade da sedimentação do lodo no decantador secundário (TEIXEIRA, 2009).
O tratamento aeróbio de efluentes é largamente usado em sistemas de tratamento de esgotos de porte pequeno, visto que os custos com terraplanagem e descarte de lodo tornam a sua implantação inviável para grandes áreas.
2.1.2 Tratamento anaeróbio de efluentes
Com o relativo aumento da consciência ambiental e os incentivos financeiros do Governo Federal, como o caso do Programa de Aceleração do Crescimento (PAC), é possível de se observar o aumento do número de estações de tratamento de esgoto (ETE) doméstico implantadas no Brasil.
O Tratamento Anaeróbico de efluentes é uma tecnologia que muito se adaptou às condições brasileiras, em que é necessária a utilização de técnicas que associem baixo custo e simplicidade operacional, tendo em vista a escassez de recursos e de mão-de-obra qualificada, que historicamente vigora no setor de saneamento do Brasil.
Em relação às condições ambientais favoráveis, ressalta-se que a aplicabilidade da tecnologia anaeróbia depende de forma muito mais significativa da temperatura do esgoto, devido à baixa atividade dos microrganismos anaeróbios em temperaturas abaixo de 20ºC e à inviabilidade de aquecimento dos reatores. Isso porque o esgoto doméstico é bem mais diluído que o efluente industrial, resultando em baixas taxas de produção volumétrica de gás metano, o que torna antieconômica a sua utilização como fonte de energia para aquecimento do próprio reator. Dessa forma, o tratamento anaeróbio de esgoto doméstico torna-se bem mais atrativo para os países de clima tropical e subtropical, que são, principalmente, os países em desenvolvimento (CHERNICHARO, 2007).
Até recentemente, os processos anaeróbios eram associados a gases mal cheirosos, sendo que isso se tornou o principal impeditivo para uma maior utilização desses processos para o tratamento de efluentes líquidos. Com o maior número de estudos desenvolvidos na área, notadamente a partir da década de setenta, adveio um maior conhecimento da microbiologia e bioquímica do processo anaeróbio e conseqüentemente das medidas a serem adotadas para o controle destes gases (SERVIÇO AUTÔNOMO DE ÁGUA E ESGOTO DE ITABIRA, 2006).
A utilização de processos anaeróbios para tratamento de resíduos líquidos domésticos é mais viável, economicamente, devido ao baixo consumo de energia e menor produção de lodo, além de possibilitar a reutilização do biogás gerado para diversas finalidades como: biocombustível (MENDONÇA, 2002).
Para a adoção de um sistema eficiente de tratamento anaeróbio, deve-se criar algumas condições favoráveis: manter um grande volume de bactérias em atividade constante no processo, além de promover o contato contínuo entre a matéria orgânica presente no afluente e as bactérias digestoras. Os fatores mais críticos para garantir a eficiência do sistema são: pH, temperatura, nutrientes e cargas tóxicas (BUSATO, 2004).
As principais vantagens e desvantagens dos processos anaeróbios são apresentadas no QUADRO 1 a seguir.
QUADRO 01 Vantagens e desvantagens dos processos anaeróbios Vantagens Desvantagens Menor produção de sólidos, cerca de 2 a 8 vezes inferior à que ocorre nos processos aeróbios. Menor consumo de energia. Baixos custos operacionais e de implantação Produção de biogás, do qual pode ser aproveitado o potencial energético do metano. Tolerância a elevadas cargas orgânicas. Aplicabilidade em áreas densamente ocupadas
Remoção de nitrogênio, fósforo e patógenos insatisfatória. Dificuldade em atender aos padrões ambientais, sendo necessária alguma forma de pós-tratamento. A Complexidade da microbiologia da digestão anaeróbia Possibilidade de geração de maus odores e de problemas de corrosão. Fonte: Adaptado de CHERNICHARO ( 2007)
Esses reatores não necessitam de um decantador primário, diferentemente dos filtros anaeróbios, simplificando o projeto da estação. (SPERLING, 2005)
A mistura do sistema é provocada pelo fluxo ascendente do esgoto e das bolhas de gás. No reator tem-se, então, em todas as zonas de reação descritas, a estabilização da matéria orgânica. A entrada do esgoto se dá pelo fundo e a saída por meio de um decantador interno, instalado em sua parte superior. A sedimentação das partículas ocorre por um sistema de segregação de gases e sólidos existente abaixo do decantador, que as separam da manta de lodo, encaminhando-as para a câmara de digestão ao invés de enviá-las para fora do sistema. A ação dos micro-organismos anaeróbios é utilizada para a digestão da matéria orgânica existente nos efluentes sanitários. De forma assemelhada ao que se processa na fossa séptica, o sistema conjugado, utiliza-se de uma única unidade em seu interior onde se processam os fenômenos de decantação das águas e a digestão anaeróbia do substrato orgânico (COSTA, 2009).
Entretanto, no reator UASB, a biomassa cresce dispersa no meio e pode formar pequenos flocos, devido à aglutinação de diversas espécies microbianas, que servem de meio suporte para outras bactérias. Essa formação auxilia no processo de oxidação da matéria orgânica e, consequentemente, no aumento da eficiência do sistema (SPERLING, 2005).
A bioestabilização da matéria orgânica passível de decomposição ocorre majoritariamente nas zonas mais profundas dos reatores correspondentes às câmaras de digestão. Essas câmaras são delimitadas superiormente por dispositivos de retenção de biomassa (manta de lodo em suspensão) e recolhimento do biogás produzido, denominados separadores trifásicos ou coifas (SAAE/IRA, 2006).
Os particulados arrastados por correntes de fluxo ascendente de maior intensidade desprendem-se da manta de lodo em suspensão, e poderão atingir as partes superiores do reator situadas entre as coifas, correspondentes aos compartimentos de decantação. Nestas regiões, devido à maior área superficial disponível para o escoamento do fluido, desenvolve- se baixa taxa de aplicação superficial, o que propicia a sedimentação e retorno dos sólidos suspensos para a zona de reação (SAAE/IRA, 2006).
Um fato que pode limitar a digestão anaeróbia e reduzir a eficiência global do sistema de tratamento é a presença de material particulado no afluente. Ainda que a maior parte da matéria orgânica particulada presente no afluente seja biodegradável, a degradação apenas parcial desse material pode ocorrer devido a vários fatores. A presença de caminhos preferenciais na manta de lodo do reator UASB caracterizaria um curto-circuito hidráulico, o que diminuiria o tempo de detenção hidráulica (TDH) e, consequentemente, o tempo de contato entre a biomassa e potenciais substratos, prejudicando a eficiência do tratamento final (TEIXEIRA, 2009).
Por sua vez, as bolhas de gases produzidos durante o processo bioquímico de digestão anaeróbia da matéria orgânica, em sua trajetória ascendente e retilínea, são recolhidas diretamente nas aberturas inferiores das coifas ou desviadas para estas por meio de vigas- anteparo (SAAE/IRA, 2006).
Os esgotos tratados no reator UASB são recolhidos na superfície livre da massa líquida, vertendo em calhas dispostas longitudinalmente às coifas (separadores trifásicos). As calhas de coleta conduzem o efluente tratado até canais de concreto, situados na face externa das paredes do reator, de onde seguem para o canal do efluente (SAAE/IRA, 2006).
Os reatores UASB têm dificuldades em produzir um efluente que atenda aos padrões estabelecidos pela legislação ambiental. Tal aspecto ganha relevância na medida em que os órgãos ambientais estaduais têm intensificado a sua fiscalização e atuado efetivamente no licenciamento ambiental de novos empreendimentos no setor de saneamento. Por isso, são acrescentados a estes processos, tratamentos secundários como: filtro biológicos percoladores, decantadores secundários ou lodos ativados.
O Dimensionamento correto do reator UASB garante a eficiência do tratamento final e aumenta a sua vida útil. Para isso, são realizados os cálculos a seguir:
Cálculo da carga afluente média de DQO (CHERNICHARO, 2007)
L 0 – UASB – DQO = S 0 – UASB – DQO x Qméd (KgDQO/d) (1) Sendo
tipo floculento, as velocidades ascensionais impostas ao sistema conduzem a reatores com alturas úteis entre 4,0 a 5,0 m (CHERNICHARO, 2007), assim distribuídas:
Altura do compartimento de decantação = 1,5 a 2,0 m Altura do compartimento de digestão = 2,5 a 3,5 m
Determinação da área de cada reator (Ar) (CHERNICHARO, 2007)
Ar = Vr/H (m²) (5) Sendo Vr = volume de cada reator H = altura total do reator
Sistema de distribuição do esgoto afluente (Nd) (CHERNICHARO, 2007)
Nd = At/Ad (6) Sendo Nd = número de distribuidores At = área total do reator Ad = área de influência
Estimativa da eficiência de remoção de DQO do sistema (CHERNICHARO, 2007)
EDQO = 100 x (1 – 0,68 x t -0,35) (7) Sendo t = TDH
Estimativa da eficiência de remoção de DBO do sistema (CHERNICHARO, 2007) EDBO = 100 x (1 – 0,70 x t -0,50) (8) Sendo t = TDH
Estimativa das concentrações de DQO no efluente final (CHERNICHARO,2007) SUASB-DQO = S (^) 0-UASB-DQO – (EDQO x S (^) 0-UASB-DQO)/100 (KgDQO/m³) (9)
Sendo S (^) 0-UASB-DQO = concentração média de DQO afluente (KgDQO/m³) EDQO = estimativa da eficiência de remoção de DQO
Estimativa das concentrações de DBO no efluente final (CHERNICHARO,2007) SUASB-DBO = S (^) 0-UASB-DBO – (EDBO x S (^) 0-UASB-DBO)/100 (KgDBO/m³) (10)
Sendo S (^) 0-UASB-DBO = concentração média de DBO afluente (KgDBO/m³) EDBO = estimativa da eficiência de remoção de DBO
Avaliação da produção de lodo (CHERNICHARO,2007) Plodo = Y x L (^) 0-UASB-DQO (KgSST/d) (11)
Sendo Y = coeficiente de produção de sólidos (KgSST/KgDQO) L (^) 0-UASB-DQO = carga orgânica afluente média de DQO (KgDQO/d)
VLodo = Plodo/ (γ x CLodo) (m³) (12) Sendo
Plodo = produção esperada de lodo (KgSST/d) γ = densidade de lodo (KgSST/m³) CLodo = concentração esperada para o lodo de descarte (%)
A concentração de lodo no reator UASB pode ser usada para verificar se o sistema está funcionando corretamente e, consequentemente, caracterizar a eficiência do equipamento.
