Apresentação miea anna_final

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Apresentação miea anna_final

  1. 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
  2. 2. Estrutura Introdução Enquadramento Metodologia Resultados Conclusões 2
  3. 3. Introdução 3
  4. 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 4
  5. 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. 5
  6. 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
  7. 7. Enquadramento 7
  8. 8. Pré- tratamento • Igualização Tratamento principal • Reator UASB Pós- tratamento • Lamas Ativadas Tratamento de Águas Residuais 8
  9. 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 9
  10. 10. Subprodutos – Valorização do Biogás 10 Diagrama dos processos e produtos do aproveitamento do biogás
  11. 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). 11
  12. 12. Metodologia 12
  13. 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 13
  14. 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 14
  15. 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 15
  16. 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. 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 17
  18. 18. Resultados 18
  19. 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 19
  20. 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. 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. 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. 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. 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. 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
  26. 26. Obrigada!

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