IV Seminário Internacional de Engenharia de Saúde Pública
- Desenvolvimento sustentável, demandas contemporâneas e responsabilidade socioambiental -
Esgotamento Sanitário
- Tecnologias e Inovações –
Cooperação entre Universidade e Empresa de
Saneamento na Perspectiva de Implantação
das Inovações Tecnológicas
Março de 2013
Carlos Augusto de Lemos Chernicharo
Departamento de Engenharia Carlos
Sanitária
e Ambiental
Augusto
de Lemos Chernicharo
Universidade Federal de Minas Gerais
Sumário
Tratamento de Esgotos no Brasil: Breve
Contextualização
Pesquisa e desenvolvimento da tecnologia
anaeróbia no Brasil
Desafios e implantação de inovações
tecnológicas
Tratamento de Esgoto no Brasil:
Breve contextualização
Principais processos de tratamento de esgoto
empregados, por porte (amostra em 3 estados)
30
ETEs < 100 L/s
ETEs > 100 L/s
25
Número de ETEs
25
20
15
15
14
10
5
5
0
0
1
Dec. Prim.
0
2
1
3
4
0
Dec. Prim. +
Disp. Ocean.
Trat. Prel. +
Disp. Ocean.
Lagoas
Lodos Ativados UASB + Póstratamento
Processo de tratamento empregado
Tecnologia UASB
• Tecnologia consolidada
• Apresenta diversas vantagens e grande
aplicação, todavia algumas limitações ainda
existem
• Uma etapa de pós-tratamento é usualmente
necessária visando a:
• Complementação de remoção de matéria orgânica
• Remoção de nutrientes
• Remoção de patógenos
Pesquisa e Desenvolvimento:
O legado deixado pelo PROSAB
O período PROSAB: 1996 - 2008
•
•
Formação de redes cooperativas de pesquisa:
-
Envolvimento de diversas instituições de pesquisa em todo o Brasil
(Universidades, Centros de Pesquisa, Companhias de Saneamento)
-
Participação de instituições consolidadas e instituições emergentes
-
Reuniões sistemáticas de acompanhamento e avaliação
-
Criação de diversos centros de pesquisa aplicada em todo o Brasil
-
Pesquisas focadas no desenvolvimento e aprimoramento de tecnologias
simplificadas de tratamento de esgoto
Legado:
-
Disponibilização de diversos produtos, a exemplo de livros, vídeos e
coletâneas de artigos (download gratuito no site da FINEP)
-
Criação de diversos centros de pesquisa aplicada no Brasil, a maioria
funcionando como plataformas permanentes de pesquisa e demonstração
-
Contribuição efetiva para a revisão da Norma Brasileira de Tratamento de
Esgoto
-
Influência decisiva no modelo tecnológico brasileiro para tratamento de
esgoto
Centro de Pesquisa e Treinamento em
Saneamento - CePTS
•
Localização:
-
•
ETE Arrudas – Belo Horizonte – Minas Gerais – Brasil (Capacidade: 4.5 m3/s)
Principais características:
- Estações experimentais de tratamento de esgoto (escalas piloto e
demonstração), todas alimentadas com esgoto real, tomado da ETE Arrudas
- Mini-redes de distribuição de água, de coleta de esgoto e de águas pluviais
- Unidades administrativas e de controle
•
Objetivos:
- Pesquisa, demonstração e treinamento em saneamento (água e esgoto)
- Atividades focadas principalmente em pesquisa aplicada
- Desenvolvimento e otimização de configurações de reatores
- Determinação e otimização de critérios de projeto e de operação
Vista das unidades experimentais
Vista das unidades experimentais
Vista das unidades experimentais
Sistema compato reator UASB + FBP
•
Configuração: Reator UASB + Filtro Biológico Percolador
• População de projeto: 500 habitantes
• Vazão de projeto: 3,2 m3/h
Pós-tratamento: Filtros Biológicos Percoladores
•
Configuração: Filtros Percoladores com diferentes tipos de meio suporte
• População de projeto: 400 habitantes
• Vazão de projeto: 2,6 m3/h
Compartimentos individualizados
Desafios e implantação de
inovações tecnológicas
Reatores UASB: desafios e inovações
Escuma CorrosãoSistema alimentação Separador trifásico -
Reator
- Emissão de odor
- Emissão de GEE
Biogás e
Gás residual - Recuperação de energia
- Corrosão
- Toxicidade
- Carbono residual
- Emissão de odor
- Variação da vazão afluente
- Passagem de detritos
- Passagem de óleo e graxa
Efluente
líquido
Pré-tratamento e
elevatória chegada
- Nutrientes
- Patógenos
- Microcontaminantes
- Emissão de odor
- Emissão de GEE
- Recuperação nutrientes
Lodo
- Higienização
- Presença detritos
-Desidratação
- Recuperação de energia
Sistemas anaeróbios: desafios e inovações
Controle
operacional
Recuperação
de energia
Emissões de
metano
Emissões de
H2S
Remoção de
amônia
Desafio 1:
Controle operacional: gerenciamento
do lodo
ETE Laboreaux – Itabira
Fluxograma do processo de tratamento
Esquema geral da ETE Laboreaux
Legenda
Tratamento preliminar
Tratamento biológico (Reatores UASB)
Pós-tratamento (Filtros Biológicos Percoladores)
Tratamento do lodo e da escuma (desidratação)
Vista Aérea da ETE
2008
Vazão média afluente
2009
Dias operacionais (dias)
996
966
936
906
876
846
1026
2010
816
786
756
726
696
666
636
606
576
546
516
486
456
426
396
366
336
306
276
246
216
186
156
126
96
66
36
2011
1146
1116
1086
1056
Vazão média diária (L/s)
Hidrograma das vazões médias diárias
afluentes à ETE
120
100
80
60
40
20
0
Fases operacionais da ETE
(*) decantadores em manutenção
Relação entre massa de lodo e
concentração de SST no efluente do reator
800
ST
700
SST
Massa ST (kg)
600
500
400
300
SST (mg/L)
20000
18000
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
200
100
0
1
20
51
76
90
107
125
136
153
167
178
195
Dias operacionais
800
ST
Massa ST (kg)
SST
700
600
500
400
300
200
100
0
209
235
262
287
318
342
365
392
415
Dias operacionais
440
468
493
520
SST (mg/L)
20000
18000
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
Série temporal - DBO
500
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Concentração DBO (mg/L)
400
300
200
100
0
0
50
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200
2009
2008
2011
Dias operacionais (d)2010
Esg. Bruto
Efl. FBP
6 por Média Móvel (Esg. Bruto)
Esg. Bruto + Lodo retorno
Efl. final
6 por Média Móvel (Efl. UASB)
Efl. UASB
Padrão
Gráficos Box Plot dos resultados de DBO
400
400
350
350
Concentração de DBO (mg/L)
Concentração de DBO (mg/L)
Períodos operacionais 7 e 8
300
250
200
150
100
300
250
200
150
100
50
50
0
0
EB
EB + Lodo Efl. UASB
Retorno
Efl. FBP
Efl. Final
EB
EB + Lodo Efl. UASB
Retorno
Efl. FBP
Efl. Final
Período 7
Período 8
(sem retorno de lodo)
(com retorno de lodo)
Gráficos Box Plot dos resultados de SST
500
500
450
450
Concentração de SST (mg/L)
Concentração de SST (mg/L)
Períodos operacionais 7 e 8
400
350
300
250
200
150
400
350
300
250
200
150
100
100
50
50
0
0
EB
EB + Lodo Efl. UASB
Retorno
Efl. FBP
Efl. Final
EB
EB + Lodo Efl. UASB
Retorno
Efl. FBP
Efl. Final
Período 7
Período 8
(sem retorno de lodo)
(com retorno de lodo)
Pontos-chave para o gerenciamento do lodo:
• Manutenção da massa de lodo no interior do reator UASB
entre a massa mínima e a massa máxima. Necessidade de
descartes mais frequentes;
• Favorecer a manutenção da camada mais densa de lodo (leito)
no fundo do reator, pois esta melhora as condições de
retenção, adensamento e digestão do lodo aeróbio de retorno
(não praticar descarte de lodo apenas do fundo do reator);
• Bombeamento do lodo aeróbio de retorno de forma contínua
ou semi-contínua, ao longo de todo o dia. O bombeamento em
bateladas dificulta a retenção do lodo no interior do reator
UASB e induz a saída dos sólidos mais finos.
Desafio 2:
Redução das emissões metano
Emissões de metano
Elevadas perdas de metano dissolvido no efluente líquido
Estimativas das perdas de metano, de acordo com
diferentes cenários
Utilizada na
redução de
sulf ato
7%
Conversão
em
biomassa
13%
Utilizada na
redução de
sulf ato
5%
DQO solúvel
no ef luente
40%
Perda como
metano na
f ase gasosa
3%
Perda como
metano
dissolvido
17%
Perda como
metano na
f ase gasosa
3%
Perda como
metano
dissolvido
13%
Conversão
em metano
recuperado
no biogás
19%
Conversão
em
biomassa
14%
DQO solúvel
no ef luente
35%
Conversão
em metano
recuperado
no biogás
29%
Cenário típico
Pior cenário
Utilizada na
redução de
sulf ato
3%
Conversão
em
biomassa
15%
DQO solúvel
no ef luente
30%
Perda como
metano na
f ase gasosa
2%
Perda como
metano
dissolvido
11%
Conversão
em metano
recuperado
no biogás
39%
Melhor cenário
30
Aderência das medições de biogás em campo às
faixas estimadas pelo modelo
Produção esperada de biogás (m3.d-1)
Produção esperada de biogás
(m3.d -1)
1000
800
600
400
200
0
0
20
40
60
80
ETE Laboreaux
Vazão contribuinte de esgoto (L.s -1)
100
7.000
6.000
5.000
4.000
3.000
2.000
1.000
0
0
200
400
600
800
1.000
ETE Onça
Vazão contribuinte de esgoto (L.s -1)
31
Relações unitárias de produção de metano, de biogás e
de energia em reatores UASB tratando esgoto doméstico
Relação
unitária
Volume
unitário de
CH4 produzido
Volume
unitário de
biogás
produzido
Potencial
energético
unitário
Unidade
Pior situação
Situação típica
Melhor situação
Máx.
Mín.
Média
Máx.
Mín.
Média
Máx.
Mín.
Média
NL.hab-1.dia-1
9,9
3,6
6,8
13,3
7,4
10,2
16,7
11,1
13,7
NL.m-3 esgoto
81,7
16,7
42,2
103,7
34,8
64,2
134,6
51,8
81,3
NL.kgDQOremov-1
154,1
66,0
113,4
185,8
124,2
158,3
219,1
173,9
196,0
NL.hab-1.dia-1
14,1
5,2
9,8
17,7
9,9
13,6
20,8
13,9
17,1
NL.m-3 esgoto
116,7
23,8
60,3
138,3
46,4
85,6
168,3
64,8
101,6
NL.kgDQOremov-1
220,1
94,3
162,0
247,8
165,6
211,1
273,9
217,4
245,0
MJ.m-3 esgoto
2,9
0,6
1,5
3,7
1,2
2,3
4,8
1,9
2,9
MJ.kgDQOremov-1
5,5
2,4
4,1
6,7
4,5
5,7
7,9
6,2
7,0
MJ.Nm-3 biogás
25,1
25,1
25,1
26,9
26,9
26,9
28,7
28,7
28,7
MJ.hab-1.dia-1
0,4
0,1
0,2
0,5
0,3
0,4
0,6
0,4
0,5
Medições e simulações confirmam as elevadas perdas de metano
e de potencial energético
32
Emissões de metano: possível solução
Biogás
Flare
Efluente contendo sulfeto e metano
Gases residuais do tratamento
preliminar e elevatória de chegada
Gases residuais do
decantador
Exaustor
Unidade de
dissipação
Efluente
Desgaseificado
Biofiltro para remoção
combinada de sulfeto e metano
Emissões de metano: possível solução
Metano removido
devido a turbulência
Desafio 3:
Controle das emissões H2S
Emissões de H2S
Principais problemas: Corrosão e odor
Corrosão resultante
H2SO4 (pela ação microbiana)
H2S + O2
H2S
Absorção de O2
na superfície
O2
H2S
H2S disponível na atmosfera se a
produção sulfetos excede a
Absorção de O2
absorção de O2
na superfície
Nível d’água
O2
H2S
H2S
H2S
H2S
S- + 2H+  H2S
Geração de sulfetos pela
ação microbiana
SO4  S-
Corrosão em estruturas de aço
IV Seminário Internacional de Engenharia de Saúde Pública – Esgotamento Sanitário: Tecnologias e Inovações – Prof. Carlos Chernicharo
Corrosão em estruturas de concreto
Exposição da
armadura da laje
Corrosão em estruturas de concreto
Antes da limpeza
Depois da limpeza com jato de água
Emissões de H2S: possível solução
Biogás
Flare
Efluente contendo sulfeto e metano
Gases residuais do tratamento
preliminar e elevatória de chegada
Gases residuais do
decantador
Exaustor
Unidade de
dissipação
Efluente
Desgaseificado
Biofiltro para remoção
combinada de sulfeto e metano
Emissões de H2S: possível solução
Liberação do sulfeto dissolvido no efluente líquido
> 80% remoção
devido a turbulência
Emissões de H2S: possível solução
Remoção biológica de sulfeto de hidrogênio visando a
recuperação de enxofre elementar
Microrganismos encontrados na escuma utilizada
como inóculo nos biorreatores
Microrganismo
Função
Chlorobium ferrooxidans
Oxidação biológica de sulfeto
Thiomonas sp.
Oxidação biológica de sulfeto,estritamente aeróbias.
Thiorhodovibrio sp
Oxidação biológica de sulfeto
Thiomonas cuprina
Oxidação biológica de sulfeto e tiossulfato,
estritamente aeróbia.
Lamprocystis purpurea
Oxidação biológica de sulfeto e tiossulfato,sob
condições microóxicas no escuro.
Thiobacillus sp.
Oxidação biológica de sulfeto,estritamente aeróbia.
Após um mês de operação dos biorreatores
Remoção biológica de sulfeto de hidrogênio
Concentração de H2S (mg/L)
10,0
9,0
8,0
Afluente
Efluente BR1
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
21 28 35 49 58 63 70 91 99 105 112 119 133 140 147 153
Período operacional (d)
Desafio 4:
Recuperação de energia a partir dos
subprodutos do tratamento: biogás e
lodo
Estudo de Caso: ETE Laboreaux – Itabira
Cenário atual
Queima do biogás
(flare)
Condicionantes
Cal + FeCl3
Filtro Prensa
Reator UASB
Tanque corta-chama
Tanque de lodo
Aterro Sanitário
Caçamba
Linha de lodo
Linha de biogás
Leito de secagem
Potencial energético da ETE
PETotal  PECH 4  PELodo
PELodo  PLodo  PCI
PElodo-MJ = Potencial energético do lodo (MJ.d-1);
PCI = Potencial calorífico inferior (MJ.kg-1);
Mlodo = Massa de lodo gerada (kg.d-1).
10,0
10,0
9,0
9,0
Potencial Calorífico Real (MJ/kg)
Potencial Calorífico Teórico
(MJ/kg)
Poder calorífico do lodo
8,0
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
8,0
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
PCS
PCI
PCS
PCI
Demanda energética da ETE Laboreaux
CDV-1
8 reatores
EEE-2
11,5 m
EEE-1
Desarenador Calha Parshall
4,8 m
3,9 m
Grades
5m
Demanda de energia na ETE
Laboreaux (kWh.d -1)
Esquema ilustrativo da localização das EEE-1 e EEE-2 e
suas alturas de recalque
1.800
1.500
1.200
900
6.481 MJ.d-1
600
300
0
jan/10
abr/10
jul/10
out/10
jan/11
abr/11
jul/11
out/11
Período (meses)
Demanda de energia da ETE Laboreaux nos anos de 2010 e 2011
Balanço de massa e energia para o aproveitamento energético
do biogás para a secagem térmico do lodo desidratado –
Cenário 1
542 m3.d-1
15.284 MJ.d-1
Filtro Prensa
Perdas = 3.731 MJ.d-1
Energia útil = 1.244 MJ.d-1
Gases exaustão
P
252 m3.d-1
7.106 MJ.d-1
Reator UASB
Tanque de lodo
Legenda
linha de lodo
3.759 kg.d-1
U i= 58,7 %
7.518 MJ.d-1
Evaporação: 2.034
Secagem de lodo
E
eletricidade
detalhamento de alternativas
Motor
η= 30%
Lodo seco e higienizado
290 m3.d-1
purificação do biogás
geração de energia térmica
2.132 MJ.d-1
kg.d-1
linha de biogás
P
E
7.764 MJ.d-1
1.725 kg.d-1
U f =10%
7.932 MJ.d-1
Câmara de combustão
η= 85%
Combustível
η Eficiência de conversão
Ui,f Umidade (inicial, final)
- Biogás para combustão: Secagem (a 10% umidade) e higienização
do lodo
- Biogás para geração de energia elétrica: 2.132 MJ/d (40% da
demanda da ETE)
Balanço de massa e energia para o aproveitamento energético
do biogás para a geração de eletricidade seguida de secagem
térmico do lodo com os gases de exaustão – Cenário 2
542 m3.d-1
15.284 MJ.d-1
P
Filtro Prensa
Motor
E
Reator UASB
η= 30%
Gases de exaustão
kg.d-1
Tanque de lodo
Legenda
linha de lodo
3.759
U i= 58,7 %
7.518 MJ.d-1
3.040 kg.d-1
U f = 48,9 %
3.020 MJ.d-1
linha de biogás
P
purificação do biogás
geração de energia térmica
E
eletricidade
detalhamento de alternativas
η
Ui,f
4.585 MJ.d-1
η= 80%
4.498 MJ.d-1
Secador
Evaporação: 719 kg.d-1
654 kg.d-1 + 2.332 kg.d-1
Uf= 10 %
58,7 %
Eficiência de conversão
Umidade (inicial, final)
- Biogás para geração de energia elétrica: 4.485 MJ/d (85% da
demanda da ETE)
- Secagem térmica do lodo com gases de exaustão: Secagem de todo
o lodo a 49% umidade ou parte a 10% umidade
Desafio 5:
Remoção de amônia em filtros
biológicos percoladores pós UASB
Configuração esquemática de um FBP
Vista aérea de uma ETE com FBP pós-UASB e
detalhe do FBP
Vantagens de utilização da tecnologia
• Simplicidade operacional e de manutenção
• Baixo consumo energético (aeração natural)
• Menor complexidade em termos de equipamentos
• Robustez a choques de carga e toxicidade
• Processo compacto de pós-tratamento
(adaptado de VON SPERLING, 2005 )
• Principal desvantagem: baixa capacidade de nitrificação
Desempenho na remoção de matéria orgânica e sólidos
Concentrações de DBO total (mg/L) - efluente UASB e decantadores FBP
90
DBO
80
70
60 mg/L
60
Concentrações de DQO total (mg/L) - efluente UASB e decantadores
450
DQO
400
350
300
50
250
40
200
30
150
20
100
10
50
0
UASB Escória
anel
DHS Conduíte
180 mg/L
0
UASB Escória
Anel
DHS Conduíte
Concentrações de SST (mg/L) - efluentes UASB e decantadores FBPs
260
SST
240
220
200
180
Condições operacionais:
160
140
120
100
80
60 mg/L
60
40
20
0
UASB Escória
anel
DHS Conduíte
• Temperatura média: 250C
• TAS: 20 m³.m-2.d
• COV 0.43 kgBOD.m-3.d-1
Desempenho em relação à remoção de amônia
Ammonia concentrations (mg/L)
Ammonia concentrations (mg/L)
40
36
32
28
24
20
16
12
8
4
NH3
20 mg/L
UASB
Ring
B.F.Slag
Tubing
DHS
40
36
32
28
24
20
16
12
8
4
NH3
20 mg/L
UASB
Ring
B.F.slag
Tubing
DHS
Condições operacionais:
Condições operacionais:
• Temperatura média: 230C
• TAS: 10 m³.m-2.d
• COV 0.38 kgDBO.m-3.d-1
• Temperatura média: 250C
• TAS: 10 m³.m-2.d
• COV 0.24 kgDBO.m-3.d-1
Desempenho em relação à remoção de surfactantes
Surfactants concentrations (mgMBAS/L)
Surfactants concentrations (mgMBAS/L)
10
10
8
LAS
8
6
6
4
4
2
0
2 mg/L
Influent B.F.Slag
DHS
UASB
Ring
Tubing
LAS
2 mg/L
2
0
Influent B.F.slag
DHS
UASB
Ring
Tubing
Condições operacionais:
Condições operacionais:
• Temperatura média: 230C
• TAS: 10 m³.m-2.d
• COV 0.38 kgDBO.m-3.d-1
• Temperatura média: 250C
• TAS: 10 m³.m-2.d
• COV 0.24 kgDBO.m-3.d-1
Resultados de outros sistemas
Características
Concentrações afluentes
Concentrações efluentes
COV
TAS
Temp
DBO5
SST
NH3
DBO5
SST
NH3
Referências
kgDBO/m³.d
m³/m².d
ºC
(mg/L)
(mg/L)
(mg/L)
(mg/L)
(mg/L)
(mg/L)
0,68
13,61
21-23
96
75
29,7
42
34
25,8
Frade (2003)
0,68
13,61
20-26
96
48
29,4
32
22
27,5
Frade (2003)
0,31
13,61
18-27
44
35
22,6
23
14
18,9
Frade (2003)
0,42
21,22
17-21
78
64
21,1
37
26
18,4
Aisse (2002)
0,33
32,14
23-24
40
50
21,3
18
23
17,2
Aisse (2002)
Efeito da altura e do tipo de meio suporte
Organic
matter
removal
Rotopack
UASB
reactor
3
4
Ammonia
removal
2
1
Final
effluent
Rotosponge
350
mgBODtotal.L-1
300
250
200
150
100
50
0
Sewage
Rotopack
UASB
Rotosponge
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
BOD removal (%)
Remoção de DBO
700
mgCODtotal.L-1
600
500
400
300
200
100
0
Sewage
Rotopack
UASB
Rotosponge
Integration with Trickling Filters
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
COD removal (%)
Remoção de DQO
350
300
mgTSS.L-1
250
200
150
100
50
0
Sewage
Rotopack
UASB
Rotosponge
Integration with Trickling Filters
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
TSS removal (%)
Remoção de SST
Efeito da COV e tipo de meio suporte sobre a
remoção de nitrogênio
OLR (kgCOD.m-3.d-1)
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
Esg. bruto
Concentrações de DBO (mg.L-1)
300-350d
450-600d
350-450d
Ammonium nitrogen Removal (%)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Esg. bruto
Concentrações de DQO (mg.L-1)
RP
Rotopack
RS
Rotosponge
NH4-N Rem NOx-N prod (mgN.L-1)
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Remoção de DBO (%)
RP
Rotopack
RS
Rotosponge
Remoção de DQO (%)
Considerações Finais
Obrigado pela
atenção
Possible alternative for combined management of methane and
hydrogen sulfide in medium and large size plants
Waste gas
from settlers
Biogas for micro-aeration
Waste gas from preliminary
treatment and pumping station
Excess biogas
Micro-aeration with oxygen
containing biogas
Energy recovery unit
Exhaust
Heat to users
Biogas
treatment
Fuel (biogas)
Fan
Compressor
Biofilter
Turbine
Electricity to plant
utility
Combined biological oxidation
of sulfide and methane
Dissolved sulfide oxidation in the
liquid-based post-treatment system