1. Dissertação do Mestrado Integrado em Engenharia
do Ambiente
Minimização do Consumo Energético e Maximização
de Valorização em ETAR Municipal
Anna Carolina Carvalho Valverde 27 de Julho de 2015
4. Objetivo geral
• Elaboração de um sistema de tratamento de águas residuais
domésticas que permita a redução do consumo energético e
da produção de biomassa em excesso.
Motivação
▫ Minimizar os custos energéticos de uma ETAR
▫ Atender aos limites legais de descarga
▫ Maximizar a valorização dos subpordutos
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5. Objetivos específicos:
• Elaboração de um sistema de tratamento da ETAR virtual;
• Pré-dimensionamento dos órgãos principais de tratamento e
equipamentos essenciais;
• Estimativa do consumo energético global da ETAR;
• Quantificação dos subprodutos e identificação das estratégias de
valorização;
• Análise económica.
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6. O problema?
• Avaliar a eficiência, em termos de remoção de nutrientes, de um
sistema que combina os processos:
▫ Anaeróbio como etapa pricipal
▫ Aeróbio como pós-tratamento
6
9. Tratamento Principal – Processo Anaeróbio em
Reator UASB
Menor produção de lamas;
Menor necessidade em nutrientes;
Obtenção de um gás combustível (CH4) – energia;
Tolerância a baixas temperaturas (<10 °C);
Cargas aplicadas podem atingir 30 kg CQO/ m3 /dia ou mais
(quanto maior a temperatura maior a carga aplica);
Menores necessidades de espaço.
Eficiência em torno de 65% em termos de remoção de CQO
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10. Subprodutos – Valorização do Biogás
10
Diagrama dos processos e produtos do aproveitamento do biogás
11. Subproduto – Valorização das Lamas
As lamas resultantes dos processos de tratamento das águas
residuais apresentam elevado potencial de:
valorização energética;
Incineração;
valorização agrícola (como corretivo agrícola).
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13. Elaboração do sistema de tratamento da ETAR
virtual
Capacidade:
200.00
habitantes
Caudal médio
afluente:
36.000 m3/dia
Tanque Igualização
Tanque de Arejamento
Tanque de Arejamento
Decantador
Secundário
Decantador
Secundário
Tanque Igualização
Contentores
Efluente
Recirculação de Lamas
UASB
UASB
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14. Pré-dimensionamento dos órgãos principais de
tratamento e equipamentos essenciais
Tanque de
Igualização
• Volume
Método
Gráfico
• Área
• Agitador
• Bombas
submersíveis
Reator UASB
• Volume
Carga
orgânica
volumétrica
Reator
Aeróbio
• Volume
Carga
orgânica
mássica
(A/M)
• Sistema de
Arejamento
Reator
Anóxico
• Volume
Carga de
nitrato
• Agitador
• Bombas
submersíveis
Decantador
• Área
Carga
superficial
máxima de
sólidos
• Bombas
submersíveis
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15. Quando existe uma remoção de matéria orgânica (CQO) parte é convertida
em biogás e parte será convertida em biomassa.
A produção de metano, expressa em termos de CQO, é determinada pela
relação estequiométrica:
𝐶𝐻4 + 2𝑂2 → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2 𝑂
1 g CQO → 0,35 L CH4
No caso da biomassa, a massa de sólidos voláteis suspensos pode relacionar-
se com o valor de CQO através da equação de oxidação da biomassa celular:
𝐶5 𝐻7 𝑁𝑂2(𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠) + 5 𝑂2 + 𝐻+ → 5 𝐶𝑂2 + 2 𝐻2 𝑂 + 𝑁𝐻4
+
1 g de células → 1,42 g CQO.
Produção de Biogás
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16. Demanda teórica de oxigênio determinada a partir da relação
estequiométrica das reações bioquímicas de decomposição:
Remoção de CBO = 0,75 g O2 /g CBO removida
Nitrificação = 4,57 g O2/ g N oxidada
Respiração endógena = 0,12 g O2 /g MLVSS/d
Recuperação de oxigênio via desnitrificação = 2,86 g O2 / g N
removido
Dimensionamento do Sistema de Arejamento
16
17. • Tratamento Aeróbio
Produção de lama = 0,64 kg de SSV/kg
CBO removida
Carga de CBO removida = eficiência de
remoção de CBO do processo de lamas
ativadas
Lamas produzidas =
sólidos voláteis (orgânicos) (75%)
+
sólidos fixos (inorgânicos)
Em termos de sólidos totais, a produção
de lamas é função da relação SSV/SST.
Concentração de sólidos = < 1 %
• Tratamento Anaeróbio
Produção de lama = 0,10 kg SST/kg
CQO removida
Carga de CQO removida = eficiência
de remoção de CQO do processo
UASB
Concentração de sólidos = 5%
Produção de Lamas
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19. Resultados – Dimensão dos reatores
Igualização UASB Aeróbio Anóxico Decantandor Total
Número de reatores 1 6 2 2 2 -
Volume, m3
9100 1190 8658 2867 2180 23995
Tempo de retenção
hidráulica, h
- 5 12 4 2 23
UASB: T= 20°C
COV= 3 kg CQO/m3/d
Aeróbio: A/M = 0,075 kg CBO/kg MLVSS/d
Concentração de MLVSS = 2500 mg/L
Anóxico: Carga de azoto a ser removido do sistema = 1.278 kg/d
Taxa específica de desnitificação = 0,09 g N/g MLVSS/d
Decantador: Carga superficial máxima de sólidos = 5 kg//m2/h
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20. Estimativa do consumo energético global da ETAR
Etapa/ Equipamento Caudal (m3
/h)
Consumo energia,
kWh/d
Consumo energético
por caudal tratado,
Wh/m3
Igualização
Agitador 31500 2160 60
Bomba 1500 2592 72
Reator Anóxico
Agitador 5733 461 13
Reator Aeróbio
Compressor de ar 7071 5280 147
Bomba recirculação interna 5325 710 20
Decantador
Bomba recirculação 938 720 20
Bomba remoção 13 53 1,5
Total 11976 333
20
21. Quantificação dos subprodutos - Biogás
Parâmetro Valor
Produção específica de biomassa, kg CQOlama/kg CQOaplic 0,11
Fator de correção p/ temperatura operacional do reator, m3
CH4/kg CQOremovido 0,38
Carga de CQO convertida em metano, kg CQO/d 13813
Produção de biogás, m3
/d 3997
Concentração de metano no biogás, % 65
Produção de metano, m3
CH4/ d 2598
Potencial energético, kWh/d 21826
Biogás Calor e Eletricidade
Biometano Calor, Eletricidade e Gás Natural
21
22. Produção de Lamas
Desidratação
Valorização agrícola
Espessamento e Digestão
Valorização energética
22
Tratamento
Anaeróbio Aeróbio
Produção específica de sólidos 0,1 kg SST/kg CQOremovida 0,47 kg SST/kg CBOremovida
Carga de CQO removida,
kg CQO/d
13.813 3.078
Produção de sólidos no sistema,
kg SST/d
1.381 2.624
Concentração de sólidos,
%
5 1
Carga de lama em excesso,
m3
/d
27 303
23. Análise Econômica
Caudal: 1500 m3/h
Concentração de
poluente no efluente:
590 mg CQO/L
No caso em análise, o processo anaeróbio é claramente superior.
23
Energia
produzida
pelo metano:
21826 kWh/d
Energia
consumida
para
arejamento:
11976 kWh/d
Resultado
global
energético:
9850 kWh/d
24. • Verifica-se uma vantagem em termos energéticos e de lamas geradas.
• A produção energética a partir das águas residuais, pode assegurar a necessidade energética
das instalações.
• Remoção de azoto não foi suficiente para alcançar a qualidade desejada. Uma das condições
para que ocorra a desnitrificação é a presença de carbono suficiente que foi praticamente
toda consumida na primeira unidade de tratamento UASB. A razão C/N recomendada para
que ocorra a desnitrificação é igual ou superior a 4, neste estudo a razão obtida foi de 1,4.
• O biogás natural é uma importante fonte de energia renovável apresentando na sua
totalidade mais vantagens do que desvantagens. O conteúdo energético das águas residuais
domésticas é bem elevado e portanto existe um potencial muito grande que não está sendo
aproveitado.
• Num cenário mais avançado, as próprias ETARs podem assumir o papel de "centros
produtores" de energia.
Conclusão
24
25. A dificuldade de nitrificação no sistema anaeróbio/aeróbio estendeu o
período de elaboração deste trabalho não sendo possível, nesta fase,
aprimorar mais a pesquisa e os conhecimentos sobre o processo em
sistemas deste tipo, sendo sugerido um aprofundamento desse aspecto
num período posterior.
Salienta-se também as limitações no aproveitamento útil do calor na
proximidade do local em que o biogás é produzido, em parte devido à
localização isolada destas centrais, associadas a Estações de Tratamento de
Águas Residuais (ETAR), sem consumidores próximos que possam
potenciar o aproveitamento do calor gerado para a substituição de
consumos térmicos de outras fontes não renováveis. Desta forma, a
eficiência deste tipo de valorização pode ser melhor potenciada através da
aposta em sistemas de purificação do biogás.
Limitações e trabalhos futuros
25
Apresentação e agradecimentos
Nome
Apresentar o estudo realizado para obtenção do grau de mestre.
Obrigada a presença e a leitura do meu trabalho.
Introdução: Os objetivos do trabalho
Enquadramento: estado atual do conhecimento
Metodologia: Descrição e justificação da metodologia escolhida
Resultados: Um resumo dos dados encontrados e uma análise do que os dados sugerem
Conclusões e recomendações
O estudo foi motivado pelos seguintes fatores
O objetivo geral do estudo é Elaboração de um sistema de tratamento de águas residuais domésticas que permita a redução do consumo energético e da produção de biomassa em excesso. Sem perder a qualidade do efluente final. Sem perder a qualidade do tratamento.
Para alcançar os objetivos do estudo foram:
O problema desse estudo será Avaliar a eficiência do sistema combinado.
estado atual do tramento de águas residuais domésticas
Na elaboração de um sistema de tratamento de águas residuais deve-se considerar:
A necessidade de um pré-tramento onde ocorre a remoção dos sólidos mais grosseiros. É uma etapa fundamental para proteção dos órgãos e equipamentos a jusante da linha de tratamento..., contudo esta etapa não está incluída no projeto apenas a etapa de igualização que iremos ver mais adiante.
O tratamento principal, é o proposto processo anaeróbio, entre os reatores existentes, será constituído por um reator anaeróbio do tipo UASB.
A necessidade de um pós-tratamento para polimento do afluente anaeróbio, já que este promove a nitrificação e desnitrificação
O escolha do reator UASB atende aos objetivos do estudo já que entre as vantagens desse processo possibilita
Eficiência em torno de 65% em termos de remoção de CQO.
Quanto às possibilidade de valorização do biogás foram identificados os seguintes processos e produtos do aproveitamento...
No que diz respeito ao aproveitamento das lamas foi identificado a valorização energética e agrícola. energético, este é feito através de um processo de digestão anaeróbia das lamas, que faz parte da linha de tratamento de lamas nas ETAR, no qual é produzido biogás que pode ser utilizado para produção de energia.
Descrição e justificação da metodologia escolhida
Para elaboração do sistema de tratamento da ETAR virtual foram consideradas as seguintes condições de afluência e capacidade de tratamento.
O sistema foi projetado para tratar o caudal de 200 mil hab, com um caudal de aproximadamente 36m3
Esses dados foram obtidos dos registros dos serviços de exploração do sistema da cidade do Porto, mais específicamente da ETAR de Sobreiras
O sistema de tratamento proposto será constituído por 2 tanque de igualização, 6 reatores UASB e 2 tanques de arejamento constiuído por reator aeróbio e reator anóxico. E por fim 2 decantaddores.
Para se obter valores da capacidade energética, do consumo energético e da produção de subprodutos foi necessário dimensionar os órgãos de tratamento.
Os parâmetros considerados no dimensionamento foram, para o:
Tanque de igualização o volume foi obtido por um método gráfico, através do volume diário acumulado em função da hora do dia. Feito isto é possível dimensionar os agitadores de mistura e bombas submersíveis para elevação do caudal.
O critério utilizado para o dimensionamento do reator UASB foi baseado na Carga orgânica volumétrica (kg CQO/m3/d) este é adotado em função da temperatura.
Para dimensionar o volume do tanque de arejamento utilizei o critério de carga orgânica mássica, i.e. A/M (kg CBO/kg MLVSS/d, a razão reduzida de substrato por microrganismo para permitir a nitrificação. Feito isto, foi possível calcular a necessidade de arejamento. Também foram dimensionados bombas de recirculação interna de nitrato para o reator anóxico.
Para o reator anóxico utilizei a carga de azoto oxidado a nitrato no reator aeróbio. E assim dimensionar os agitadores necessários para manter o volume homogeinizado.
Para o decantador foi utilizado o parâmetro de carga superficail máxima de sólidos (kg/m2/h) e assim dimensionar as bombas de recirculação e de remoção de excesso de lamas
Num tratamento anaeróbio, quando existe…
A produção de biogás foi estimada a partir da carga orgância em termos de CQO afluente ao reator que é convertida em metano
Quando existe uma remoção de matéria orgânica (CQO) parte é convertida em biogás e parte será convertida em biomassa.
A produção de metano, expressa em termos de CQO, é determinada pela relação estequiométrica:
𝐶𝐻 4 + 2𝑂 2 → 𝐶𝑂 2 + 2𝐻 2 𝑂
Assim 1 g CQO será convertido teoricamente em 0,35 L de CH4 , medido nas condições normais de pressão e temperatura. Este valor deve ser corrigido em função da temperatura operacional do reator.
No caso da biomassa, a massa de sólidos voláteis suspensos pode relacionar-se com o valor de CQO através da equação de oxidação da biomassa celular:
𝐶 5 𝐻 7 𝑁𝑂 2 (𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠)+ 5 𝑂 2 + 𝐻 + → 5 𝐶𝑂 2 + 2 𝐻 2 𝑂+ 𝑁𝐻 4 +
Logo, teoricamente, 1 g de células corresponde a 1,42 g de CQO.
A necessidade de óxigênio no sistema de lamas ativadas com arejamento prolongado é elevado, devido ao consumo de oxigênio para a respiração da grande quantidade de biomassa presente. Com o reator UASB à montante a necessidade de oxigênio reduz significativamente conforme à elevada remoção de matéria orgânica no reator UASB. Neste caso o consumo de oxigênio será dominado para a remoção do material azotado (N).
Quanto a metodologia utilizada para estimar a produção de lamas.
A produção de lamas foi estimada com base na taxa de crescimento das bactérias anaeróbias a produção de lamas resultante também são baixas. A produção de lama esperada nos reatores ocorre em torno de 0,10 a 0,20 kg SST/kg CQO removida, configurando como uma das principais vantagens dos processos anaeróbios em relação ao aeróbios. Outra vantagem é a elevada concentração de sólidos, o que possibilita o descarte de volumes menores de lamas
As lamas são constituídas por duas fases distintas, nomeadamente a humidade e a matéria seca, sendo esta última formada pelos sólidos voláteis (orgânicos) e pelos sólidos fixos (inorgânicos). As lamas produzidas no tratamento de efluentes domésticos são contituídas por 70 a 80% de material volátil. Os sólidos em suspensão que não foram removidos no tratamento anterior – reator UASB - são removidos no pós-tratamento. A produção de lamas em excesso obtida, utilizou o conceito de rendimento bacteriano, ou seja, estimou-se uma produção de 0,64 kg de lamas produzidas por kg de CBO removida. A carga de CBO removida, foi calculada com base na eficiência de remoção de CBO do processo de lamas ativadas, conforme apresentado na Tabela 4-13. Deste modo, a produção diária de lamas biológicas é de 1.970 kg de sólidos voláteis. Em termos de sólidos totais, a produção de lamas é função da relação SSV/SST. Assumindo que 75% das lamas produzias correspondem ao material volátil, a produção diária de lamas totais é de 2.624 kg SST.
Um resumo dos dados encontrados e uma análise do que os dados sugerem
Carga orgânica (quantidade de matéria orgânica) aplicada ao sistema por unidade de massa de microrganismos
concentração de sólidos voláteis (microrganismos)
Para dimensionamento dos equipamentos, o número de horas de funcionamento considerado é de 24 horas.
Igualização: 6 bombas de elevação e 6 agitadores para mistura do caudal
Reator Anóxico: 4 agitadores
Aeróbio: 4 bombas de recirculação interna de nitratos (300%) e 2 sistemas de arejamento,
Decantador: 2 bombas de remoção (<1%) e 2 de recirculação (65%)
Caudal de recirculação interna de nitrat
Aqui pode-se verificar o elevado consumo de energia por parte do arejamento.
A produção de gás foi calculada com base na atividade metanogênica o qual foi definido uma produção específica de 0,11 kg CQOlama/kg CQOaplic. O fator de conversão do metano foi corrigido para a temperatura operacional do reator (20 °C). Os resultados de volume de metano produzido. Considerando um teor de 65% de metano no biogás a produção de metano representa um potencial energético de 21. 826 kWh/d
A produção de lama assumida no reator foi de 0,10 kg SST/kg CQO removida, considerando uma eficácia de remoção de CQO de 65% a carga de CQO removida é de 13.813 kg CQO por dia, logo a produção de sólidos no sistema é de 1.381 kg SST/d. As lamas produzidas nesse processo tem uma densidade de 1040 kg por volume e uma concentração de sólidos de 5% e com isso a carga de lama desse processo é de apenas 27 m3/d. Após a desidratação deste volume este ainda pode servir para...
A lama gerada no tratamento aeróbio, ainda não estabilizado pode ser enviado ao reator UASB para sofrer adensamento e digestão junto com a lama anaeróbia e parte dele
O tratamento anaeróbios em relação ao aeróbios.
Comparando o balanço energético entre os processos aeróbio e anaeróbio
Para tratar um caudal afluente de 1500m3/d a 20ºC e com uma concentração de 590 mg
As coclusões retiradas são: Comparando o processo combinado com o processo de lamas ativadas, de fato verifica-se uma vantagem em termos energéticos, de lamas geradas e também de área. Porém a eficência em termos de remoção de azoto não foi suficiente para alcançar a qualidade desejada. Quando se utiliza o UASB como a primeira unidade de tratamento, praticamente é consumida toda a CQO rapidamente degradável do afluente. Já em relação ao material azotado, a remoção é praticamente desprezível no tratamento anaeróbio. E uma das condições para que ocorra a desnitrificação é a presença de um doador de elétrons (redutor de nitrato) e que pode ser o próprio material orgânico biodegradável. Ou seja, quando se utiliza UASB, é desfavorecida a implantação de uma unidade de desnitrificação, de forma realizar a remoção de azoto. Devem ser estudados novos dispositivos para efetuar esta remoção de forma viável Como foi apresentado neste trabalho, o gás natural é uma importante fonte de energia renovável apresentando na sua totalidade mais vantagens do que desvantagens. Em muitos países, o biogás desempenha um papel importante no aumento do fornecimento de energia para atender a demanda para aquecimento e eletricidade. Assim também como o biometano, capaz de atender a demanda por combustíveis de transportes. No entanto, a grande maioria destes países possuem infra-estrutura adequada para a produção e fornecimento desse tipo de energia. Como pode ser verificado o conteúdo energético das águas residuais domésticas é bem elevado e portanto existe um potencial muito grande que não está sendo aproveitado. As tendências internacionais apontam para o aumento da produção energética a partir das águas residuais, designadamente através da maximização do biogás , de modo a assegurar a necessidade energética das instalações. Num cenário mais avançado, as próprias ETARs podem assumir o papel de "centros produtores" de energia.
