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Carregado porAnna Valverde
Apresentação miea anna_final
Este documento descreve um sistema de tratamento de águas residuais que combina processos anaeróbios e aeróbios com o objetivo de reduzir o consumo energético e a produção excessiva de biomassa. A metodologia inclui o pré-dimensionamento dos reatores e estimativas do consumo energético e produção de subprodutos como biogás e lamas. Os resultados mostram que o processo anaeróbio é superior em termos energéticos e de lamas geradas, com a produção de biogás podendo suprir as necessidades energéticas da ETAR.
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Apresentação miea anna_final
- 1. Dissertação do MestradoIntegrado em Engenharia do Ambiente Minimização do Consumo Energético e Maximização de Valorização em ETAR Municipal Anna Carolina Carvalho Valverde 27 de Julho de 2015
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- 4. Objetivo geral • Elaboraçãode 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. Objetivos específicos: • Elaboraçãode 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. O problema? • Avaliara eficiência, em termos de remoção de nutrientes, de um sistema que combina os processos: ▫ Anaeróbio como etapa pricipal ▫ Aeróbio como pós-tratamento 6
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- 8. Pré- tratamento • Igualização Tratamento principal • ReatorUASB Pós- tratamento • Lamas Ativadas Tratamento de Águas Residuais 8
- 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. Subprodutos – Valorizaçãodo Biogás 10 Diagrama dos processos e produtos do aproveitamento do biogás
- 11. Subproduto – Valorizaçãodas Lamas As lamas resultantes dos processos de tratamento das águas residuais apresentam elevado potencial de: valorização energética; Incineração; valorização agrícola (como corretivo agrícola). 11
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- 13. Elaboração do sistemade 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. Pré-dimensionamento dos órgãosprincipais 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. Quando existe umaremoção 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. Demanda teórica deoxigênio 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 Produçãode 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
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- 19. Resultados – Dimensãodos 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. Estimativa do consumoenergético 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 Valorizaçãoagrícola 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: 1500m3/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 umavantagem 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 denitrificação 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
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Notas do Editor
- #2 Apresentação e agradecimentos Nome Apresentar o estudo realizado para obtenção do grau de mestre. Obrigada a presença e a leitura do meu trabalho.
- #3 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
- #5 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.
- #6 Para alcançar os objetivos do estudo foram:
- #7 O problema desse estudo será Avaliar a eficiência do sistema combinado.
- #8 estado atual do tramento de águas residuais domésticas
- #9 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
- #10 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.
- #11 Quanto às possibilidade de valorização do biogás foram identificados os seguintes processos e produtos do aproveitamento...
- #12 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.
- #13 Descrição e justificação da metodologia escolhida
- #14 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.
- #15 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
- #16 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.
- #17 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).
- #18 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.
- #19 Um resumo dos dados encontrados e uma análise do que os dados sugerem
- #20 Carga orgânica (quantidade de matéria orgânica) aplicada ao sistema por unidade de massa de microrganismos concentração de sólidos voláteis (microrganismos)
- #21 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.
- #22 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
- #23 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.
- #24 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
- #25 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.