POTENCIALIDADE DO USO DO BIOGÁS GERADO
EM REATORES UASB NA SECAGEM DE LODO
Luciana Coêlho Mendonça; José Roberto Campos
Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo
Departamento de Hidráulica e Saneamento
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RESUMO:
Apesar de seu alto conteúdo energético, o biogás é geralmente
queimado em Estações de Tratamento de Esgotos, não sendo assim aproveitado para
geração de energia elétrica ou outro fim benéfico. Visando o aproveitamento do biogás
produzido em reatores UASB para secagem do lodo anaeróbio produzido no mesmo, foi
realizado estudo teórico para determinar se a temperatura que o lodo pode atingir é
suficiente para desidratá-lo, empregando a queima do biogás como fonte de calor. Os dados
obtidos indicaram que, teoricamente, a queima do biogás auxilia na desidratação do lodo
produzido neste reator.
Palavras-Chave:
biogás, aproveitamento, secagem, lodo de esgoto, UASB
OBJETIVO:
Verificar se a queima do biogás produzido em um reator UASB,
alimentado com esgoto sanitário, é suficiente para desidratação do lodo produzido neste
reator.
INTRODUÇÃO:
Nos grandes centros urbanos, onde há grande número de Estações de
Tratamento de Esgotos (ETEs), a disposição do lodo gerado na depuração dos esgotos é
um problema que envolve dificuldades técnicas e pode resultar em custos relativamente
elevados. A determinação de seu tratamento e destino final depende, dentre outros fatores,
de seu volume, que influi diretamente no custo de transporte (da ETE ao seu destino final),
valendo salientar que o lodo bruto possui alto teor de umidade (90 a 99%). Desta forma, o
lodo deve ser submetido a algum tipo de desidratação, reduzindo assim o volume a ser
transportado e, conseqüentemente, reduzindo o custo de disposição ou reuso.
Apesar de os esgotos sanitários brutos serem compostos por cerca de
apenas 0,1% de sólidos, a produção de lodo nas ETEs é muito grande, principalmente
quando o tratamento utilizado é aeróbio, o qual produz de cerca de três a cinco vezes, ou
mais, que o tratamento anaeróbio (CAMPOS, 1994).
O uso dos processos de tratamento de esgotos com menor produção de
lodo deve ser estimulado. Certamente uma nova filosofia acerca do emprego dos diferentes
processos de tratamento de esgotos está se desenvolvendo, visando atingir melhor
qualidade e menor quantidade possível de lodo.
Pode-se citar o caso dos reatores UASB, cuja utilização vem
aumentando devido à sua capacidade de receber elevadas taxas de carregamento
orgânico, área de implantação reduzida, economia de energia elétrica, entre outros. Além
destas vantagens, ainda apresentam geração muito menor de lodo que os processos
aeróbios (PIERRE & DORIA, 1995). Neste tipo de reator há a produção de gases que
podem ser aproveitados, sendo proposto, neste trabalho, aproveitá-los para auxiliar na
desidratação do lodo nele produzido.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA:
O reator UASB é uma unidade de fluxo ascendente, em que o esgoto
passa por uma região de alta concentração de microrganismos anaeróbios, que se agrupam
em grânulos ou flocos. Não necessita de qualquer equipamento especial para seu
funcionamento, resultando em baixo consumo de energia.
A concentração de biomassa no reator é bastante elevada, justificando a
denominação de manta de lodo. Devido a esta concentração e a fatores que admitem a
aplicação de elevadas taxas de carregamento orgânico, o volume requerido para esses
reatores é bastante reduzido, em comparação com o de outros sistemas de tratamento.
Como resultado da atividade anaeróbia, são formados gases (principalmente metano e gás
carbônico), que são coletados na parte superior do reator, de onde podem ser destinados
para aproveitamento ou queima.
Segundo VAN HAANDEL & LETTINGA (1994), a produção de biogás é
relativamente pequena, quando o afluente é esgoto sanitário, pois a concentração de
material biodegradável é relativamente baixa e parte do biogás permanece dissolvida na
parte líquida.
O lodo, na maioria dos casos, pode ser retirado já estabilizado, podendo
ser simplesmente desidratado em leitos de secagem.
Na fase de desidratação, observa-se a redução de umidade do lodo
digerido (ARCEIVALA, 1986). O lodo desidratado é mais fácil de ser manejado, seus custos
de transporte são menores que de um lodo não desidratado e, em alguns casos, a
desidratação é feita a fim de reduzir seus odores e sua putrescibilidade (METCALF &
EDDY, 1991).
Segundo JORDÃO & PESSÔA (1995), tal operação é realizada mediante
drenagem e evaporação da água do lodo, com a utilização de processos de secagem
natural ao ar livre (leitos de secagem e lagoas de lodo) ou mecânicos (filtros prensas, filtros
à vácuo, centrífugas e filtros de esteira).
A taxa de evaporação no leito de secagem depende de vários fatores
tais como: clima, natureza do lodo e carga do lodo aplicada no leito. Um exemplo disso é o
aumento da evaporação, quando a temperatura é alta, a umidade do ar é baixa e há vento
suficiente para assegurar uma renovação adequada do ar acima do leito (VAN HAANDEL &
LETTINGA, 1994).
JORDÃO & PESSÔA (1995) citam que o período de secagem varia de
12 a 20 dias para que o lodo atinja umidade de 60 a 70%.
Segundo METCALF & EDDY (1991), dentre as vantagens do leito de
secagem, podem-se citar: baixo custo, quando há terra com disponibilidade acessível; não
requer grande atenção e habilidade do operador; baixo consumo de energia e produtos
químicos; menos sensível às variações do lodo e maior concentração de sólidos no lodo
“seco” que os métodos mecânicos. E, como desvantagens desse método, citam-se: requer
grande quantidade de área; o lodo deve estar digerido; o projeto deve considerar efeitos do
clima e remoção é um trabalho intensivo. Segundo CANZIANI et al (1996), para regiões de
climas úmidos, os leitos de secagem são inviáveis tecnicamente.
ALÉM SOBRINHO & MIRANDA (1996) comentam que a desidratação de
lodos de reatores UASB em leito secagem pode ser a solução mais adequada. Neste
estudo, os autores chegaram ao resultado de 20% de teor de sólidos, após 16 dias de
secagem e, 30% para 30 dias de secagem, para lodo adensado de reator UASB com 3,6%
de sólidos.
O biogás é também um dos subprodutos gerados no tratamento
anaeróbio de esgotos sanitários. É composto, em sua maior parte, por dois gases: o metano
(CH4), que é o constituinte energético, e o dióxido de carbono (CO2), visto que cerca de 95%
em volume do mesmo é constituído por estes dois gases (AZEVEDO NETTO, 1961). Mas
também há pequenas quantidades de nitrogênio (N2), hidrogênio (H2), gás sulfídrico (H2S) e
vapor de água (VAN HAANDEL & LETTINGA, 1994; METCALF & EDDY, 1991; AZEVEDO
NETTO, 1961). Segundo esses autores, o teor de metano no gás de esgotos varia de 60 a
80%.
Sob o ponto de vista térmico, este gás classifica-se pouco acima dos
gases combustíveis de poder calorífico médio e, com a remoção do CO2, o mesmo se
aproximaria dos gases de alto poder calorífico (AZEVEDO NETTO, 1961).
Segundo JORDÃO & PESSOA (1995), fazendo-se o estudo da
viabilidade econômica e operacional, o aproveitamento do gás geralmente é apenas
conveniente na caso de estações de grande porte, mas, em países de clima frio, o biogás
pode ser aproveitado como combustível para caldeiras ou para aquecimento do próprio
reator.
Há casos, como o estudado por CARRASCO (1992), em que a produção
de metano foi equivalente a apenas 10% da necessária para aquecer os esgotos sanitários
o
de um reator UASB, na Bolívia, onde a temperatura média ambiente era de 10,5 C.
Porém, estudo realizado por PIERRE & DORIA (1995) indica que o
aproveitamento do biogás para geração de energia elétrica, em uma indústria de
refrigerante, pode ser economicamente viável, dependendo do tipo de tarifa elétrica
contratada pela indústria.
MATERIAIS E MÉTODOS:
§
Aquecimento do lodo:
Neste artigo são apresentados cálculos e considerações para se obter a
quantidade de calorias fornecidas pela queima do biogás e a produção per capita de lodo e
de biogás, de tal forma que seja determinada a potencialidade de elevação da temperatura
do lodo, utilizando a equação a seguir.
A utilização da energia e produção de lodo e biogás relacionadas ao
número de pessoas contribuintes é feita para estabelecer a relação com um índice prático.
E = m.c.∆T
(1)
em que:
E: energia disponível em função do biogás gerado (J/hab.dia);
m: massa de lodo bruto produzida (g/hab.dia);
o
c: calor específico do lodo bruto (J/g. C);
∆T: variação da temperatura = Tf – Ti;
o
Tf : temperatura final do lodo, após aquecimento ( C);
o
Ti: temperatura inicial do lodo ( C.
Segundo VAN HAANDEL & LETTINGA (1994), a concentração média de
sólidos no lodo de reatores UASB varia de 15 a 35gSST/l e a concentração máxima varia de
50 a 100gSST/ l. Esses valores representam lodo com teor de umidade médio de 98,5 a
96,5% e teor de umidade mínimo de 95 a 90%. Com base nestes valores, foi utilizada neste
trabalho uma faixa de teor de umidade de 99 a 90%.
De posse da variação do teor de umidade do lodo bruto, percebe-se que
a maior parte deste resíduo é constituída por água. E, como será a água o elemento a ser
aquecido pelo calor produzido pela queima do biogás, a Equação (1) foi adaptada para este
trabalho.
E = máguac água (Tf - Ti)
(2)
em que:
o
c água: calor específico da água (J/g. C).
Além de ser o elemento de maior parcela no lodo, a água é um dos
elementos de maior calor específico, como pode ser verificado em RAZNJEVIC´ (1976).
Desta forma, o uso do calor da água em substituição ao do lodo bruto conduz a um
resultado mais desfavorável, ou seja, uma menor temperatura final do lodo, após o
aquecimento com a queima do biogás.
A massa da água presente no lodo pode ser determinada da seguinte
maneira:
mágua = u . mlodo bruto
m lodo bruto =
m água = u .
(3)
mlodo seco
(4)
1− u
m lodo sec o
1− u
(5)
em que:
mágua: massa de água presente no lodo (g/hab.dia);
mlodo bruto: massa de lodo bruto (g/hab.dia);
mlodo seco: massa de lodo seco (g/hab.dia);
u: umidade do lodo bruto (adimensional).
§
Secagem do lodo
Em leitos de secagem, a redução da umidade do lodo é conseguida pela
drenagem e evaporação da água. Como neste trabalho estão sendo consideradas as piores
condições, será admitido que não haverá drenagem da água; apenas evaporação pelo calor
fornecido pela queima do biogás. Será considerado também que não haverá interferência
de ventos, umidade do ar ou qualquer fator externo que favoreça este processo de
desidratação do lodo.
Neste artigo, a secagem do lodo será dependente unicamente da
evaporação da água, sendo que, quanto maior a quantidade de água presente no lodo
(maior teor de umidade), menor será a porcentagem de água evaporada.
Considerando que a pressão seja constante e igual a 1atm, ou seja, a
o
pressão atmosférica ao nível do mar, quando a temperatura da água atinge 100 C, uma
transferência adicional de calor implica em mudança de fase, isto é, uma parte do líquido
torna-se vapor e, durante este processo, a pressão e a temperatura permanecem
constantes (VAN WYLEN & SONNTAG, 1976).
Quando a energia disponível não for suficiente para evaporar a água
presente no lodo, a mesma será utilizada apenas para aquecimento do lodo, sabendo-se
o
que a temperatura final será inferior a 100 C. Para estes casos, foi utilizada a Equação (2).
Assim, quando a energia disponível for suficiente para aquecer a água
o
do lodo até 100 C e ainda houver uma energia excedente, esta energia adicional será
utilizada para vaporização da água.
§
Determinação de “E”, “m lodo seco ” e “Ti”:
Para a determinação de “E”, “mlodo seco” e “Ti”, foi necessária a escolha de
vários parâmetros, sendo sempre utilizados aqueles relacionados às condições mais
desfavoráveis, de forma que os resultados obtidos representassem valores mais confiáveis,
para utilização em novos estudos.
As condições mais desfavoráveis são aquelas que implicam em maior
produção de lodo e menor produção de biogás, resultando na obtenção de uma temperatura
mais baixa.
No presente trabalho, os parâmetros que resultam nas condições mais
desfavoráveis são: menor eficiência do reator UASB, menor produção de biogás por DQO
afluente e menor poder calorífico do biogás.
Energia disponível. Na determinação da energia disponível, foram necessárias as
determinações da produção de biogás, contribuição per capita de DQO, poder calorífico do
biogás e outros sub-itens que são apresentados a seguir.
a- Produção de biogás em reatores UASB em termos de DQO removida
Segundo DROSTE (1997), a produção de biogás em reator UASB varia
de 100 a 350l/kgDQOremovida , enquanto que METCALF & EDDY (1991) comentam que é de
341l/kgDQOremovida e OLIVA (1997) obteve o valor de 150l/kgDQOremovida. Desta forma, foi
adotada uma produção de apenas 100l/kgDQOremovida, a favor da segurança.
b- DQO afluente per capita
O procedimento para determinar a quantidade de DQO gerada por cada
habitante diariamente é apresentado a seguir.
§
Contribuição diária per capita de DBO aos esgotos: 54gDBO/hab.dia
§
Relação DBO/DQO:
Considerando que os esgotos sanitários em estudo são biologicamente
tratáveis, a relação DBO/DQO é maior ou igual a 0,6. O caso mais desfavorável, para o
presente estudo, é aquele em que toda a matéria orgânica é biologicamente degradável, ou
seja, a relação DBO/DQO igual a 1,0. Este valor foi também assim adotado, considerandose um extremo teórico, a favor da segurança.
§
Contribuição diária per capita de DQO afluente aos esgotos:
54gDBO/hab.dia : 1,0 = 54gDQOafluente/hab.dia
c- DQO removida per capita
O cálculo da DQO removida per capita envolve as considerações acerca
do valor de sua contribuição aos esgotos e da eficiência do reator.
§
Eficiência do UASB:
Segundo DROSTE (1997), VAN HAANDEL & LETTINGA (1994) e
METCALF & EDDY (1991), a eficiência de reatores UASB, em termos de DQO, varia de 60
a 90%. Para este trabalho, considerou-se eficiência de 60% em termos de remoção de
DQO, a qual implicará em menor produção de biogás.
§
Contribuição diária per capita de DQO aos esgotos: 54gDQO/hab.dia
§
Quantidade diária de DQO removida per capita no reator:
54gDQOafluente/hab.dia x 0,60 = 32,4gDQOremovida/hab.dia
d- Produção per capita de biogás (P biogás)
§
§
§
Produção de biogás:100l/kgDQOremovida
DQO removida per capita no reator: 32,4gDQOremovida/hab.dia
Assim,
1000gDQOremovida
-
100lbiogás
32,4gDQOremovida /hab.dia
-
Pbiogás
⇒ Pbiogás = 3,3lbiogás/hab.dia
Este valor resultou bastante pequeno em relação ao usualmente adotado
na bibliografia, porém foi adotado para se ter mais segurança neste trabalho.
e- Poder calorífico do biogás
Segundo DROSTE, 1997; JORDÃO & PESSOA, 1995; VAN HAANDEL
& LETTINGA, 1994; METCALF & EDDY, 1991; BATISTA, 1981; AZEVEDO NETTO, 1961),
3
o poder calorífico do biogás varia de 5.000 a 7.000 kcal/m . Assim, foi adotado o poder
3
calorífico do biogás é 5.000kcal/m biogás, que é o valor mais desfavorável para este
estudo.
f- Determinação da energia diária disponível per capita
3
3
E: poder calorífico do biogás (kcal/m ) x volume diário de biogás produzido (m /hab.dia)
3
3
E = 5. 000(kcal/m biogás) x 3,3(lbiogás/hab.dia) x 0,001(m /l)
⇒ E = 16,5kcal/hab.dia
E = 16,5(kcal/hab.dia) x 1.000(cal/kcal) x 4,1833(J/cal)
⇒ E = 69.024J/hab.dia
Produção de lodo seco. Na determinação da massa de lodo produzida diariamente per
capita, são envolvidos o coeficiente de produção celular e a quantidade de DQO removida.
§
O coeficiente de produção celular (produção de lodo) em reatores UASB em termos de
DQO removida varia de 0,1 a 0,2gSST/gDQOremovida. O coeficiente que representa uma
maior produção de lodo é 0,2gSST/gDQOremovida .
mlodo seco = coeficiente de produção celular x DQOremovida per capita
mlodo seco = 0,2(gSST/gDQOremovida) x 32,4(gDQOremovida /hab.dia)
mlodo seco = 6,5gSST/hab.dia
Calor específico da água. Segundo PERRY & CHILTON (1986), o calor específico da água
o
o
é de 1cal/g. C = 4,1833J/g. C.
o
Temperatura inicial do lodo. A temperatura inicial do lodo, Ti = 20 C, foi medida durante a
coleta do lodo bruto do reator UASB que está instalado na Escola de Engenharia de São
Carlos, na Universidade de São Paulo. Esta é a temperatura da água que foi considerada
nos cálculos.
Temperatura final do lodo. De posse dos valores da energia disponível (E), massa de lodo
seco (mlodo
seco),
calor específico da água (c água) e temperatura inicial da água (Ti), foi
possível determinar a temperatura final do lodo, após seu aquecimento, devido à queima do
biogás, utilizando as Equações (2) e (5).
RESULTADOS E DISCUSSÃO:
Para as situações mais desfavoráveis, foram obtidos os seguintes
valores: E = 69.024J/hab.dia; mlodo
o
seco
= 6,5gSST/hab.dia; c = 4,1833J/g C. Com estes
resultados, foi possível determinar a temperatura final do lodo para cada teor de umidade
usual de lodo descartado.
Tabela 1– Temperatura final do lodo decorrente do aquecimento com a queima do biogás
para diversos teores de umidade do lodo bruto
o
Umidade do lodo
Temperatura ( C)
99%
45
98%
71
97%
96
96 a 90%
100
Observando a Tabela 1, pode-se perceber que a energia resultante da
queima do biogás gerado por uma pessoa é suficiente para aquecer o lodo produzido pela
mesma.
Verifica-se também que, com a queima do biogás, é possível manter a
o
o
temperatura em 45 C, para lodo com teor de umidade de 99%; em 71 C, para lodo com teor
o
o
de umidade de 98%; em 96 C, para lodo com teor de umidade de 97%; e em 100 C, para
lodo com teor de umidade na faixa de 96 a 90%, demonstrando a potencialidade do uso do
biogás na secagem do lodo anaeróbio.
Mantendo essas temperaturas no lodo, o processo de desidratação do
o
mesmo seria bastante acelerado, pois 105 C é a temperatura utilizada nos procedimentos
de determinação de sólidos da APHA (1995), secando totalmente os sólidos presentes no
esgoto, em apenas 2 horas. No caso da determinação de sólidos em lodos, recomenda-se
um tempo de secagem de 24 horas.
Assim, com o aproveitamento do biogás, o tempo de secagem dos lodos
com teor de umidade na faixa de 96 a 90% seria de apenas 1 dia, e, para lodos com teor de
umidade de 99 a 97%, com a temperaturas obtidas, o tempo de secagem seria em torno de
5 dias. Esses valores são bastante satisfatórios, visto que em leitos de secagem
convencionais, o tempo de secagem varia de 20 a 30 dias.
CONCLUSÃO:
Analisando os resultados obtidos, verificou-se que, teoricamente, o lodo
de um reator UASB pode ser total ou parcialmente seco mediante queima do biogás
produzido, induzindo na redução do tempo de secagem.
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