UNIFAVIP | DeVry
CENTRO UNIVERSITÁRIO DO VALE DO IPOJUCA
COORDENAÇÃO DE ENGENHARIA CIVIL
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
Allyson Fernandes dos Santos
O USO DO BIOGÁS COMO UMA FONTE ALTERNATIVA ENERGÉTICA
SUSTENTÁVEL EM UMA UNIDADE DE TRATAMENTO DE ESGOTOS NA CIDADE
DE CARUARU
CARUARU
2015
Allyson Fernandes dos Santos
O USO DO BIOGÁS COMO UMA FONTE ALTERNATIVA ENERGÉTICA
SUSTENTÁVEL EM UMA UNIDADE DE TRATAMENTO DE ESGOTOS NA CIDADE
DE CARUARU
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado à Faculdade do Vale do
Ipojuca – FAVIP/DeVry, como requisito
parcial para obtenção do título de
Bacharel em Engenharia Civil.
Orientadora: Profa. Ma. Nyadja Menezes
Rodrigues.
CARUARU
2015
Catalogação na fonte Biblioteca do Centro Universitário do Vale do Ipojuca, Caruaru/PE
Santos, Allyson Fernandes dos.
O uso do biogás como uma fonte alternativa energética
sustentável em uma unidade de tratamento de esgotos na cidade de
Caruaru / Allyson Fernandes dos Santos. – Caruaru: UNIFAVIP |
DeVry, 2015.
74 f.: il.
S237u
Orientador (a): Nyadja Menezes Rodrigues.
Trabalho de Conclusão de Curso (Engenharia Civil) – Centro
Universitário do Vale do Ipojuca.
1. Biogás. 2. Energia. 3. Estação de tratamento de esgotos. I.
Título.
CDU 624[15.2]
Ficha catalográfica elaborada pelo setor de processamento técnico
Allyson Fernandes dos Santos
O USO DO BIOGÁS COMO UMA FONTE ALTERNATIVA ENERGÉTICA
SUSTENTÁVEL EM UMA UNIDADE DE TRATAMENTO DE ESGOTOS NA CIDADE
DE CARUARU
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao Centro Universitário do
Vale do Ipojuca – UNIFAVIP/DeVry,
como requisito parcial para obtenção do
título de Bacharel em Engenharia Civil.
Orientadora: Profa. Ma. Nyadja Menezes
Rodrigues.
Aprovado em: 08 / 07 / 2015
BANCA EXAMINADORA
__________________________________________
Orientadora: Ma. Nyadja Rodrigues Menezes
__________________________________________
Avaliadora: Ma. Iracleide de Araújo Silva Lopes
__________________________________________
Avaliadora: Ma. Tuane Batista do Egito
CARUARU
2015
Dedico este trabalho imensamente e
especialmente à Deus por me conceder a
força, sabedoria e entendimento para
desenvolver o presente trabalho. À
minha mãe Ivaneide Ulisses Fernandes
por acreditar no meu comprometimento
e por me dar a oportunidade de realizar
este trabalho, batalhando sem medir
esforços.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeço à Deus, por me conceder a vida, conhecimento, condições,
força e fé para que conseguisse superar todos os obstáculos e por conquistar mais esse sonho
em minha vida.
A minha mãe Ivaneide Ulisses Fernandes, por confiar no meu potencial e sempre
batalhar para que conseguisse realizar os meus sonhos.
A minha noiva Rafaela Oliveira, por confiar, me incentivar e permanecer nos momentos
de dificuldades e por ter paciência comigo; além de sempre acreditar no meu potencial.
A todos os professores, pela paciência e comprometimento, além da transmissão do
conhecimento e por serem responsáveis pela nossa formação.
A professora Ma. Nyadja Menezes, por me orientar e contribuir para a realização desse
TCC - Trabalho de Conclusão de Curso, por conseguir unir o vasto conhecimento, a paciência
e comprometimento durante a realização desse trabalho e durante toda a graduação.
Ao Eng. Químico Rildomiro Carmo e a equipe da COMPESA (Leonardo Lemos,
Leonardo Melo e Glauber), por transmitirem um pouco do seu conhecimento e fornecerem
alguns dados necessários para realização desse trabalho.
A professora Ma. Iracleide Araújo, por sempre ter se dedicado a orientação acerca da
metodologia do trabalho, além da paciência e generosidade passada através dos encontros.
Aos futuros companheiros de profissão e de trabalho, Eng. Civil Edjair Melo “Dija”,
Eng. Civil Deny Coelho, Eng. Civil Ivan Moreira, Téc. Edificações Walter Pontes, Aux. de
Engenharia Renato Sabino, por inserirem na vida profissional com todo ensinamento básico da
vida profissional, além de auxiliarem nas dúvidas obtidas.
Aos profissionais da equipe de execução, que me auxiliaram através da prática o
mecanismo de aplicação e uso.
Aos meu amigos e companheiros de profissão, Alisson Bandeira, Cássio Padilha,
Rodolfo Campos, Tácio Rafael e Thaís Nascimento, que sempre estiveram ao meu lado,
estudando e aprendendo um com outro.
Ao meu amigo Ezequiel Honorato (Kiel), que nos momentos difíceis, tanto no início
como no fim da graduação esteve sempre me incentivando e auxiliando com o conhecimento
obtido.
Ao meu amigo Dr. Nilton Silva, por dispor do seu amplo conhecimento nos momentos
em que precisei.
Ao meu amigo Adm. André Alcântara, por sempre dispor do seu amplo conhecimento
para que pudesse aprender através de conversas e diálogos.
“Se o capitão não sabe a que porto se dirige,
nenhum vento será favorável ao veleiro.”
Sêneca (4 a.C. – 65 d.C.). Filósofo latino.
RESUMO
Com os problemas associados à crise energética e ao aquecimento global, vários países têm
investido montantes significativos em tecnologias e projetos para o aproveitamento do biogás
produzido em estações de tratamento de esgotos. Como recurso renovável, o uso do biogás
colabora com a não dependência de fonte de energia fóssil; aumenta a oferta e possibilita a
geração descentralizada de energia próxima aos centros de carga; promove economia no
processo de tratamento de esgoto, aumentando a viabilidade da implantação de serviços de
saneamento básico. Entretanto, apesar de ser uma fonte energética sustentável, a produção de
biogás é ainda bastante incipiente no cenário nacional e sobretudo no estado de Pernambuco,
foco do presente estudo. Há vários desafios que são apontados como limitador ou empecilho
para a implantação dos procedimentos técnicos e operacionais para a produção e geração do
biogás em unidades de tratamento de esgotos. Diante dessa problemática, o presente estudo tem
como objetivo analisar a possibilidade de utilização do biogás gerado a partir de uma ETE
(Estação de Tratamento de Esgotos) localizada em Caruaru no Agreste Pernambucano, para
aproveitamento sustentável como fonte de energia, tendo-se como objetivos específicos
identificar as condições técnicas existentes para viabilizar o uso do biogás, como também,
avaliar de forma quantitativa a geração, suas implicações de aplicação e uso, e apresentar uma
sugestão prática de utilização do biogás nesta unidade. A temática proposta neste trabalho traz
um pioneirismo quando trata da possibilidade de implantação de tecnologias que gerem biogás
no cenário Pernambucano, uma vez que o projeto trata-se de um piloto e justifica-se dessa forma
a importância da pesquisa por discutir uma temática ainda pouco explorada, sob o ponto de
vista prático. Foram utilizados uma revisão teórica dentro da temática de esgotamento sanitário,
estações de tratamento de esgotos e geração de biogás, para subsidiar o trabalho em tela. Após
a análise dos resultados obtidos, foi possível verificar a importância da implementação das
tecnologias apresentadas em decorrência dos quantitativos a serem obtidos, no tocante a
geração de energia mensal na ordem de R$ 49 mil/mensais. Por outro lado, também foram
identificadas algumas limitações neste projeto decorrentes das vazões de afluentes na ETE,
como também derivado das necessidades técnicas para adequação de reatores e subestação de
energia por exemplo. De uma maneira geral, conclui-se que é relevante a implementação deste
projeto onde o custo benefício é visivelmente comprovado, além dos ganhos ambientais.
Palavras-chave: Biogás. Energia. Estação de Tratamento de Esgotos.
ABSTRACT
With the problems associated with the energy crisis and global warming, many countries have
invested significant amounts in technologies and projects for the use of biogas produced in
sewage treatment plants. As a renewable resource, the use of biogas collaborates with no
dependence on fossil energy source; increases the supply and enables the decentralized
generation of energy close to load centers; promotes economy in the sewage treatment process,
increasing the feasibility of the implementation of basic sanitation services. However, despite
being a sustainable energy source, biogas production is still incipient in the national scene and
especially in the state of Pernambuco, focus of this study. There are several challenges that are
seen as limiting or hindrance to the implementation of technical and operational procedures for
the production and biogas generation in sewage treatment plants. Faced with this problem, this
study aims to analyze the possibility of using biogas produced from a ETE located in Caruaru
in Agreste Pernambucano, for sustainable use as an energy source, having as specific objectives
to identify the technical conditions exist for enable the use of biogas, as well as to evaluate
quantitatively the generation, its implications and application use, and present a practical
suggestion of use of biogas in this unit. The proposed theme in this work brings a pioneering
when comes to the possibility of developing technologies that generate biogas in Pernambucano
scenario, since the project it is a pilot and justified thereby the importance of research to discuss
a thematic little explored, from the practical point of view. A theoretical review were used
within the sanitation theme, sewage treatment plants and biogas generation, to support work on
screen. After analyzing the results, it was possible to verify the importance of implementing the
technologies introduced as a result of quantitative to be obtained, with respect to monthly power
generation in the order of R$ 49 thousand/month. On the other hand, we were also identified
some limitations in this project resulting from tributaries flows in ETE, but also derived from
technical needs for adaptation reactors and such power substation. In general, it is concluded
that it is relevant to the implementation of this design where cost benefit is clearly demonstrated
in addition to the environmental gains.
Keywords: Biogas. Energy. Sewage Treatment Plant.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Variações do consumo no ano ........................................................................... 21
Figura 2: Variações de consumo diário. ............................................................................ 21
Figura 3: Rede Esgoto - Ilustração SABESP. ................................................................... 26
Figura 4: Principais produtos gasosos gerados em reatores anaeróbios.......................... 29
Figura 5: A sequência de processos na digestão anaeróbia de macro moléculas
complexas. .......................................................................................................................... 32
Figura 6: Esquema de um biofiltro típico. ........................................................................ 33
Figura 7: Esquema de funcionamento de um motor ciclo Otto........................................ 36
Figura 8: Ilustração da microturbina à gás. ..................................................................... 37
Figura 9: Mapa de Pernambuco com destaque para Caruaru......................................... 44
Figura 10: Localização da ETE frente a cidade de Caruaru............................................ 46
Figura 11: Vista aérea da ETE. ......................................................................................... 47
Figura 12: Áreas saneadas e não saneadas, e seus respectivos percentuais de captação. 47
Figura 13: Tratamento de Esgoto da ETE – Caruaru ...................................................... 48
Figura 14: Caixa de Reunião de Esgotos. .......................................................................... 49
Figura 15: Caixa de Reunião dos Esgotos e Caixa de Areia. ............................................ 50
Figura 16: Vista Superior do UASB - Reator Anaeróbio. ................................................ 50
Figura 17: Queimador dos gases produzidos no UASB. ................................................... 51
Figura 18: Flare - queimador de gás. ................................................................................ 51
Figura 19: Rotas de conversão de matéria orgânica - a) sistema anaeróbio e b) sistema
aeróbio. ............................................................................................................................... 67
Figura 20: Rotas de conversão da matéria orgânica no sistema UASB. .......................... 67
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Características físico-químicas dos esgotos. ..................................................... 18
Tabela 2: Coeficiente do dia de maior consumo (K1). ...................................................... 19
Tabela 3: Coeficiente da hora de maior consumo (K2). .................................................... 20
Tabela 4: Concentrações de sólidos em esgotos. ............................................................... 22
Tabela 5: Concentrações de organismos em esgotos......................................................... 22
Tabela 6: Composição média do Biogás. ........................................................................... 27
Tabela 7: Faixa de poder calorífico. .................................................................................. 40
Tabela 8: Poder calorífico de combustíveis em MJ/kg. .................................................... 40
Tabela 9: Comparação entre propriedades do metano e da gasolina. ............................. 41
Tabela 10: Equivalência energética do biogás com outras fontes de energia. ................. 42
Tabela 11: Parte do orçamento para adequação da unidade de tratamento em Caruaru.
............................................................................................................................................ 54
Tabela 12: Investimento dos equipamentos previstos. ..................................................... 55
Tabela 13: Variações de DQO e DBO. .............................................................................. 57
Tabela 14: Variações do pH conforme medições efetuadas.............................................. 58
Tabela 15: Tarifação horo-sazonal verde no período de maio/2015. ............................... 59
Tabela 16: Fatura mensal de consumo. ............................................................................. 59
Tabela 17: Dados da DQO da ETE - Caruaru em 2014. .................................................. 62
Tabela 18: Fatores de conversão para energia.................................................................. 64
Tabela 19: Comparativo entre as vazões, potência gerada e potência em horário de
ponta. .................................................................................................................................. 65
LISTA DE ABREVIAÇÕES E SIGLAS
ABNT
Associação Brasileira de Normas Técnicas
ANEEL
Agência Nacional de Energia Elétrica
CELPE
Companhia Energética de Pernambuco
CETESB
Companhia Ambiental do Estado de São Paulo
COMPESA Companhia Pernambucana de Saneamento
CONAMA
Conselho Nacional do Meio Ambiente
DBO
Demanda Bioquímica de Oxigênio ou Demanda Biológica de Oxigênio
DQO
Demanda Química de Oxigênio
ETE
Estação de Tratamento de Esgoto
IBGE
Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
IPHAN
Instituto do Patrimônio Histórico e Artístico Nacional
MDL
Mecanismo de Desenvolvimento Limpo
NBR
Norma Brasileira
NOx
Óxidos de Azoto
pH
Potencial Hidrogeniônico
PIB
Produto Interno Bruto
PPM
Parte Por Milhão
PSA
Programa de Saneamento Ambiental
RAFA
Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente
UASB
Upflow Anaeróbic Sludge Blanket/Reator Anaeróbio de Manta de Lodo
VHE
Veículos Elétricos Híbridos
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO............................................................................................................... 14
1.1 Contextualização do Problema da Pesquisa ................................................................ 14
1.2 Objetivos ....................................................................................................................... 15
1.2.1 Objetivo Geral............................................................................................................. 15
1.2.2 Objetivo Específico ..................................................................................................... 15
1.3 Justificativa .................................................................................................................. 15
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .................................................................................. 17
2.1 Definição de Esgoto ...................................................................................................... 17
2.2 Características dos Esgotos.......................................................................................... 18
2.3 Demanda Bioquímica de Oxigênio ou Demanda Biológica de Oxigênio (DBO) ........ 23
2.4 Demanda Química de Oxigênio (DQO) ....................................................................... 23
2.5 Resolução CONAMA 430/2011.................................................................................... 23
2.5.1 Efluentes de ETE – Resolução CONAMA 430/2011 ................................................... 24
2.6 Sistema de Esgotamento Sanitário .............................................................................. 24
2.7 Estação de Tratamento de Esgoto – ETE .................................................................... 26
2.8 Tipos de Tratamento .................................................................................................... 27
2.9 O Biogás........................................................................................................................ 27
2.10 Geração de Biogás Oriundo de ETE ......................................................................... 28
2.11 Processos da Geração do Biogás ................................................................................ 30
2.11.1 Hidrólise ................................................................................................................... 30
2.11.2 Acidogênese .............................................................................................................. 30
2.11.3 Acetogênese .............................................................................................................. 31
2.11.4 Metanogênese ........................................................................................................... 31
2.12 Destino e Utilização do Biogás ................................................................................... 32
2.13 Tratamento do Biogás ................................................................................................ 33
2.13.1 Biofiltração ............................................................................................................... 33
2.13.2 Adsorção em Carvão Ativado .................................................................................... 34
2.13.3 Absorção Química ..................................................................................................... 34
2.13.4 Oxidação Térmica ..................................................................................................... 34
2.14 Tecnologias de Conversão .......................................................................................... 35
2.14.1 Motores Ciclo Otto .................................................................................................... 35
2.14.2 Microturbinas a Gás .................................................................................................. 37
2.15 Cenário e Panorama Futuro do Uso do Biogás no Setor Energético........................ 38
2.16 Eficiência Energética a Partir de Biogás ................................................................... 39
2.16.1 Poder Calorífico ........................................................................................................ 40
2.16.2 Equivalência Energética ............................................................................................ 41
3 METODOLOGIA ........................................................................................................... 43
3.1 Classificação da Pesquisa ............................................................................................. 43
3.2 Universo e Amostra ...................................................................................................... 43
3.3 Coleta e Análise de Dados ............................................................................................ 44
3.3.1 Contextualização da Cidade de Caruaru....................................................................... 44
3.3.2 Contextualização da Estação de Tratamento de Esgoto – Rendeiras............................. 46
3.3.3 Caracterização da ETE – Rendeiras ............................................................................. 48
3.3.3.1 Tratamento de Esgotos na ETE - Caruaru ................................................................. 48
4 ANÁLISE E RESULTADO DOS DADOS..................................................................... 52
4.1 Infraestrutura Necessária do Projeto .......................................................................... 52
4.2 Descrição dos Equipamentos Necessários ................................................................... 53
4.3 Orçamento Previsto Para Implantação ....................................................................... 54
4.4 Dados Atuais da ETE Caruaru.................................................................................... 57
4.5 Atendimento às Condições Atuais da ETE – Caruaru à Resolução CONAMA
430/2011 .............................................................................................................................. 58
4.6 Análise do Custo Benefício........................................................................................... 58
4.7 Análise Qualitativa dos Benefícios............................................................................... 60
4.8 Análise do Potencial de Geração de Energia ............................................................... 60
4.8.1 Método para Cálculo de Potencial de Geração de Biogás em Reatores UASB ............. 61
4.8.2 Produção Teórica de Metano nas CNTP ...................................................................... 63
4.8.3 Produção Teórica de Metano a 27 °C (média das temperaturas no UASB) ................... 63
4.8.4 Estimativa de Produção de Energia Elétrica a Partir do Biogás .................................... 63
4.9 Desafios e Limitações do Piloto.................................................................................... 68
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS E SUGESTÕES .............................................................. 69
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 71
14
1 INTRODUÇÃO
A disposição de esgotos brutos no solo ou em corpos receptores naturais, como lagoas,
rios, oceanos, é uma alternativa que foi e ainda é empregada de forma muito intensa.
Dependendo da carga orgânica lançada, os esgotos provocam a total degradação do ambiente,
ou em outros casos, o meio demonstra ter condições de receber e de decompor os contaminantes
até alcançar um nível que não cause problemas ou alterações acentuadas que prejudiquem o
ecossistema local e circunvizinho. Dessa forma, a natureza poderá promover ou não o
“tratamento” dos esgotos, desde que haja boas condições ambientais como por exemplo,
quantidade hábil de organismos que decompõem a matéria orgânica.
Em outras palavras, o tratamento biológico de esgotos é um fenômeno que pode ocorrer
naturalmente no solo ou na água, desde que predominem condições apropriadas. Uma estação
de tratamentos de esgoto, é um sistema que explora esses mesmos organismos que proliferam
no solo ou na água. Em estações de tratamento procura-se, no entanto, “otimizar” os processos.
As fontes renováveis e/ou inesgotáveis têm se demonstrado cada vez mais como forma
alternativa de substituição do petróleo, já que minimiza os gases de efeito estufa, há
aproveitamento de resíduos que poderiam estar sendo despejados em corpos aquáticos sem
tratamento, ou mesmo, sendo expostos a céu aberto emitindo gases e sendo uma fonte de
doenças para a população. Cada vez mais a energia é um limitante para o desenvolvimento
gradativo das civilizações. As energias oriundas de fontes não renováveis, como petróleo, têm
suas limitações; e dessa forma se torna urgente a busca de energias alternativas.
O biogás derivado de lixo, esgoto ou esterco bovino, suíno etc., tem sido alvo de estudos
e inúmeros trabalhos acerca dos mesmos que já foram publicados, o que ressalta mais ainda sua
importância quanto a sua viabilidade econômica e ambiental.
Diante do cenário exposto, o presente trabalho tem como objetivo estudar o uso do
biogás como uma fonte alternativa de geração de energia sustentável, tendo como base para
pesquisa uma unidade de tratamento de esgotos localizada na cidade de Caruaru, no agreste
Pernambucano.
1.1 Contextualização do Problema da Pesquisa
Nas diversas unidades de tratamento de esgotos existentes no país e sobretudo no estado
de Pernambuco, possuem uma importante fonte energética porém ainda pouco explorada que é
o biogás. Entretanto, há vários desafios a serem enfrentados sob o ponto de vista técnico e
15
operacional, no qual são apontados como empecilhos para sua implantação. No cenário foco
deste estudo, como aumentar e disseminar a implantação de tecnologias em ETE (Estação de
Tratamento de Esgotos) que possibilitem a geração de energia oriunda do biogás como forma
a contribuir com a geração de energia sustentável?
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo Geral
Analisar a utilização do biogás gerado a partir da ETE (Estação de Tratamento de
Esgoto) em Caruaru, para um aproveitamento sustentável como fonte de energia.
1.2.2 Objetivo Específico
• Identificar as condições técnicas existentes para viabilizar o uso do biogás na ETE, localizada
no bairro das Rendeiras, na cidade de Caruaru;
• Avaliar de forma quantitativa a geração de biogás e suas implicações de aplicação e uso;
• Apresentar uma sugestão prática de utilização do biogás nesta ETE.
1.3 Justificativa
A cada dia o desenvolvimento das cidades implica na utilização de energia para
possibilitar o funcionamento salutar do crescimento urbano e industrial. Percebe-se ainda mais
a busca por fontes alternativas de energia oriundas de instrumentos sustentáveis que
possibilitem o desenvolvimento sustentável.
Neste contexto, um segmento que vem se expandindo no Brasil é a implantação de
unidades de tratamento de efluentes; e por outro lado, há insumos importantes como o gás
gerado dos processos de tratamento de esgotos, que no cenário atual e tendo como foco o estado
Pernambucano ainda é considerado incipiente.
O gás gerado na grande maioria das unidades de tratamento existentes no Brasil e
sobretudo no estado Pernambucano, não utiliza o biogás como fonte alternativa. O biogás é
uma fonte potencial de geração energia que ainda não é utilizada em larga escala no país.
Dessa forma, o presente estudo apresenta sua importância por discutir uma temática
ainda pouco explorada em Pernambuco e que traz um pioneirismo quando vem estudar e
16
apresentar uma possibilidade de implantação em uma ETE localizada na cidade de Caruaru,
cidade do Agreste de Pernambuco que desponta como município promissor do ponto vista
econômico regional.
17
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 Definição de Esgoto
Segundo a NBR 9648 (1986, p. 1), “esgoto sanitário é o despejo líquido constituído de
esgotos doméstico e industrial, água de infiltração e a contribuição pluvial parasitária”.
Compreende-se como esgoto doméstico o efluente ou despejo líquido resultante do uso da água
para higiene e necessidade fisiológicas humanas (NBR-9648, 1986). Dependendo do uso, há
distintas denominações. Os resíduos provenientes das residências formam os esgotos
domésticos, os formados no processo de fábricas recebem o nome de esgotos industriais, ou
seja, os despejos líquidos resultantes dos processos industriais, respeitando os padrões de
contribuição estabelecidos e firmados (NBR-9648, 1986). Já as águas das chuvas são
denominadas de pluviais e não podem ser lançados na rede de esgoto.
Para que sejam esgotadas com rapidez e segurança as águas residuárias indesejáveis,
faz-se necessário a construção de um conjunto estrutural que compreende canalizações
coletoras funcionando por gravidade, unidades de tratamento e de recalque quando
imprescindíveis, obras de transporte e de lançamento final, além de uma série de órgãos
acessórios indispensáveis para que o sistema funcione e seja operado com eficiência. Esse
conjunto de obras para coletar, transportar, tratar e dar o destino final adequado às vazões de
esgotos, compõem o que se denomina de Sistema de Esgotos.
A expansão demográfica e o desenvolvimento tecnológico trazem como consequência
imediata o aumento de consumo de água e a ampliação constante do volume de águas
residuárias não reaproveitáveis que, quando não condicionadas de modo adequado, acabam
poluindo as áreas receptoras causando desequilíbrios ecológicos e destruindo os recursos
naturais da região atingida ou mesmo dificultando o aproveitamento desses recursos naturais
pelo homem. Essas águas, conjuntamente com as de escoamento superficial e de possíveis
drenagens subterrâneas, formarão as vazões de esgotamento ou simplesmente esgotos.
Denomina-se de esgoto sanitário toda a vazão esgotável originada das atividades
domésticas, tais como lavagem de piso e de roupas, consumo em pias de cozinha e esgotamento
de peças sanitárias, como por exemplo, lavatórios, bacias sanitárias e ralos de chuveiro
(FERNANDES, 1997).
Fernandes (1997) caracteriza o esgoto industrial como sendo aquele gerado através das
atividades industriais, onde seja consumida água no processamento de sua produção, gerando
um tipo de esgoto com características inerentes ao tipo de atividade (esgoto industrial) e uma
18
vazão tipicamente de esgoto doméstico originada nas unidades sanitárias (pias, bacias,
lavatórios, entre outros usos).
O esgoto pluvial tem a sua vazão gerada a partir da coleta de águas de escoamento
superficial originada das chuvas e, em alguns casos, lavagem das ruas e de drenos subterrâneos
ou de outro tipo de precipitação atmosférica. Esta diferenciação de esgoto é de fundamental
importância, pois para cada tipo ocorre formação de substâncias diferentes e necessidades de
sistemas específicos para tratar os resíduos.
2.2 Características dos Esgotos
Os esgotos sanitários variam no espaço, em função de diversas variáveis desde o clima
até hábitos culturais. Por outro lado, variam também ao longo do tempo, o que torna complexa
sua caracterização. Metcalf & Eddy (1991) classificam os esgotos em forte, médio e fraco,
conforme as características apresentadas na Tabela 1:
Tabela 1: Características físico-químicas dos esgotos.
Característica
DBO5,20 (mg/L)
Forte Médio Fraco
400
220
110
1.000
500
250
Carbono Org. Total (mg/L)
290
160
80
Nitrogênio total – NTK (mg/L)
85
40
20
Nitrogênio Orgânico (mg/L)
35
15
08
Nitrogênio Amoniacal (mg/L)
50
25
12
Fósforo Total (mg/L)
15
08
04
Fósforo Orgânico (mg/L)
05
03
01
Fósforo Inorgânico (mg/L)
10
05
03
Cloreto (mg/L)
100
50
30
Sulfato (mg/L)
50
30
20
Óleos e Graxas (mg/L)
150
100
50
DQO (mg/L)
Fonte: Metcalf & Eddy, 1991.
No Brasil, mesmo que não se tenha informação segura com base local, costuma-se
adotar contribuições “per capita” de 54 a 100 g/habitante.dia para a DBO de 5 (cinco) dias e
para a DQO, respectivamente.
19
Em termos de vazão, pode-se afirmar que os esgotos estão sujeitos às mesmas variações
relativas ao consumo de água, variando de região para região, dependendo principalmente do
poder aquisitivo da população. Apenas a título de referência, pode-se considerar a contribuição
típica de 160 L/habitante.dia, referente ao consumo “per capta” de água de 200 L/habitante.dia
e um coeficiente de retorno água/esgoto igual a 0,8. Para a determinação das vazões máximas
de esgotos, costuma-se introduzir os coeficientes K1 = 1,2 (relativo ao dia de maior produção)
e K2 = 1,5 (relativo à hora de maior produção de esgotos). Consequentemente, a vazão de
esgotos do dia e hora de maior produção é 1,8 vezes, ou praticamente o dobro da vazão média
diária. Deve ser lembrado que as características dos esgotos são afetadas também pela
infiltração de água subterrânea na rede coletora e pela possível presença de contribuições
específicas, como indústrias com efluentes líquidos ligados à rede pública coletora de esgotos.
Tabela 2: Coeficiente do dia de maior consumo (K1).
Autor/Entidade
Local
Ano Coeficiente K1
DAE
São Paulo - Capital
1960
1,50
FESB
São Paulo - Capital
1971
1,25
Azevedo Netto
Brasil
1973
1,1 - 1,5
Yassuda e Nogami Brasil
1976
1,2 - 2,0
CETESB
Valinhos e
Iracemápolis
1978
1,25 - 1,42
PNB-587-ABNT
Brasil
1977
1,2
Orsini
Brasil
1996
1,2
Azevedo Netto et
al.
Brasil
1998
1,1 - 1,4
Tsutiya
RMSP - Setor Lapa
1989
1,08 - 3,8
Saporta et al.
Barcelona - Espanha
1993
1,10 - 1,25
Walski et al.
EUA (*)
2001
1,2 - 3,0
Hammer
EUA (*)
1996
1,2 - 4,0
AEP
Canada (*)
1996
1,5 - 2,5
(*) Nesses sistemas não há reservatórios domiciliares.
Fonte: Tsutiya, 2013.
Condições de obtenção
do valor
Recomendação para
projeto
Recomendação para
projeto
Recomendação para
projeto
Recomendação para
projeto
Medições em sistemas
operando há vários anos
Recomendação para
projeto
Recomendação para
projeto
Recomendação para
projeto
Medições em sistemas
operando há vários anos
Medições em sistemas
operando há vários anos
Recomendação para
projeto
Medições em sistemas
norte-americanos
Recomendação para
projeto
20
Na tabela 2, anteriormente mostrada, diversos autores utilizam valores próximos um dos
outros para o coeficiente do dia de maior consumo (K1). Na tabela 3, serão mostrados o
coeficiente da hora de maior consumo, e, adotado por alguns autores:
Tabela 3: Coeficiente da hora de maior consumo (K2).
Autor/Entidade
Local
Ano Coeficiente K2
Azevedo Netto
Brasil
1973
1,5
Yassuda e Nogami
Brasil
1976
1,5 - 3,0
CETESB
Valinhos e
Iracemápolis
1978
2,08 - 2,35
PNB-587-ABNT
Brasil
1977
1,5
Orsini
Brasil
1996
1,5
Azevedo Netto et al. Brasil
1998
1,5 - 2,3
Tsutiya
RMSP - Setor Lapa
1989
1,5 - 4,3
Saporta et al.
Barcelona - Espanha
1993
1,3 - 1,4
Walski et al.
EUA (*)
2001
3,0 - 6,0
Hammer
EUA (*)
1996
1,5 - 10,0
AEP
Canada (*)
1996
3,0 - 3,5
Condições de obtenção
do valor
Recomendação para
projeto
Recomendação para
projeto
Medições em sistemas
operando há vários anos
Recomendação para
projeto
Recomendação para
projeto
Recomendação para
projeto
Medições em sistemas
operando há vários anos
Medições em sistemas
operando há vários anos
Recomendação para
projeto
Medições em sistemas
norte-americanos
Recomendação para
projeto
(*) Nesses sistemas não há reservatórios domiciliares.
Fonte: Tsutiya, 2013.
Para a obtenção dessas variações diárias, é preciso relacionar o maior consumo diário
verificado no período de um ano e o consumo médio diário neste mesmo período, considerandose sempre as mesmas ligações (TSUTIYA, 2013), ou seja, a relação é demonstrada através da
equação 1:
K₁ =
á
é
á
(1)
21
A figura 1 apresentada logo abaixo, caracteriza a variação do consumo de água em um
ano:
Figura 1: Variações do consumo no ano
Fonte: Tsutiya, 2013.
Já nas variações horárias, observa-se em um dia a maior vazão horária e vazão média
horária do mesmo dia (TSUTIYA, 2013), definindo o coeficiente K2 através da equação 2:
K₂ =
á
ã
(2)
é
A seguir, na figura 2 apresenta a variação da vazão de água em um dia:
Figura 2: Variações de consumo diário.
Fonte: Tsutiya, 2013.
22
O esgoto apresenta uma concentração de sólidos que se caracteriza como sendo fraco,
médio e forte, segundo Metcalf & Eddy (1991). Na tabela 4, são apresentadas concentrações
típicas das diversas frações de sólidos em esgotos:
Tabela 4: Concentrações de sólidos em esgotos.
Característica
Sólidos Totais (mg/L)
Forte Médio Fraco
1.200
720
350
Sólidos Dissolvidos (mg/L)
850
500
250
Sólidos Dissolvidos Fixos (mg/L)
850
500
250
Sólidos Dissolvidos Voláteis (mg/L)
525
300
145
Sólidos em Suspensão Totais (mg/L)
350
220
100
Sólidos em Suspensão Fixos (mg/L)
75
55
20
Sólidos em Suspensão Voláteis (mg/L)
275
165
80
Sólidos Sedimentáveis (mL/L)
20
10
05
Fonte: Metcalf & Eddy, 1991.
Na tabela 5, são apresentadas algumas características biológicas dos esgotos,
importantes para referenciar as necessidades de desinfecção:
Tabela 5: Concentrações de organismos em esgotos.
Característica
Valor Médio
Bactérias Totais (/100 mL)
109 - 1010
Coliformes Totais (NMP/100 mL)
107 - 108
Coliformes Fecais (NMP/100 mL)
106 - 107
Estreptococus Fecais (NMP/100 mL)
105 - 106
Salmonella Typhosa (/100 mL)
101 - 104
Cistos de Protozoários (/100 mL)
102 - 105
Vírus (/100 mL)
103 - 104
Ovos de Helmintos (/100 mL)
101 - 103
Fonte: Metcalf & Eddy, 1991.
23
2.3 Demanda Bioquímica de Oxigênio ou Demanda Biológica de Oxigênio (DBO)
A DBO é um parâmetro que mede o oxigênio requerido para degradação da matéria
orgânica (demanda carbonácea). Também pode medir o oxigênio utilizado para oxidar formas
reduzidas de nitrogênio (demanda nitrogenada), a menos que sua oxidação seja impedida por
um inibidor (REMÉDIO; TEIXEIRA; ZANIN, 1999).
De acordo com a Companhia Ambiental do Estado de São Paulo - CETESB (2009, p.
10), “a DBO é normalmente considerada como a quantidade de oxigênio consumido durante
um determinado período de tempo, numa temperatura de incubação específica”. O método
consiste na colocação de uma amostra num frasco hermeticamente fechado, e incubação sob
condições específicas durante um determinado período de tempo. Geralmente utiliza-se um
período de tempo de 5 dias numa temperatura de incubação de 20 ºC, e é referido como DBO5,20.
A CETESB (2009) ressalta que, a presença de um alto teor de matéria orgânica pode
provocar a ausência do oxigênio no afluente; além de poder obstruir os filtros de areia utilizados
nas estações de tratamento de água.
No campo do tratamento de esgotos, a DBO é um parâmetro importante no controle das
eficiências das ETE, tanto de tratamentos biológicos aeróbios e anaeróbios, bem físicoquímicos.
2.4 Demanda Química de Oxigênio (DQO)
Remédio, Teixeira e Zanin (1999) indicam que a utilização desse parâmetro é utilizada
para medir a quantidade de matéria orgânica de esgotos e águas naturais, como também utilizase em esgotos industriais que contém compostos que são tóxicos; fornecendo dados para a
determinação da DBO. Geralmente, a DQO de um esgoto é maior do que a DBO, pois mais
compostos podem ser quimicamente oxidados do que biologicamente oxidados.
A DQO é um parâmetro indispensável nos estudos de caracterização dos esgotos
sanitários e de efluentes industriais, além de ser muito útil quando utilizada conjuntamente com
a DBO para observar a biodegradabilidade de despejos.
2.5 Resolução CONAMA 430/2011
Neste capítulo estão sendo informados alguns itens constantes da Resolução CONAMA
430/2011, que se referem ao padrão da qualidade de lançamento de efluentes em rios, como é
24
o caso da ETE – Caruaru. A Resolução 430 do CONAMA (Conselho Nacional do Meio
Ambiente), de 13 de maio de 2011, dispõe sobre as condições e padrões de efluentes e
complementa e altera a Resolução 357/2005.
2.5.1 Efluentes de ETE – Resolução CONAMA 430/2011
Nesta Resolução foram colocados alguns itens que afetam diretamente a operação de
uma ETE (Seção III da Resolução 430/2011 – Das condições e padrões para efluentes de
sistemas de tratamento de esgotos sanitários). São eles:
Art. 21 – Para o lançamento direto de efluentes oriundos de sistemas de tratamento de
esgotos sanitários deverão ser obedecidos as seguintes condições e padrões específicos:
I – Condições de lançamento de efluentes:
a) pH entre 5 e 9;
b) temperatura: inferior a 40°C, sendo que a variação de temperatura do corpo receptor
não deverá exceder a 3°C no limite da zona de mistura;
c) materiais sedimentáveis: até 1 mL/L em teste de 1 hora em cone Inmhoff. Para o
lançamento em lagos e lagoas, cuja velocidade de circulação seja praticamente nula, os
materiais sedimentáveis deverão estar virtualmente ausentes;
d) Demanda Bioquímica de Oxigênio - DBO 5 dias, 20°C: máximo de 120 mg/L, sendo
que este limite somente poderá ser ultrapassado no caso de efluente de sistema de tratamento
com eficiência de remoção mínima de 60% de DBO, ou mediante estudo de autodepuração
do corpo hídrico que comprove atendimento às metas do enquadramento do corpo receptor.
e) substâncias solúveis em hexano (óleos e graxas) até 100 mg/L; e
f) ausência de materiais flutuantes.
2.6 Sistema de Esgotamento Sanitário
Um sistema de esgotamento sanitário compreende um conjunto de obras e instalações
construídos com a finalidade de propiciar a coleta, o afastamento, o condicionamento
(tratamento, quando necessário) e uma disposição final sanitariamente adequada para as águas
servidas de uma determinada comunidade, a fim de evitar a contaminação da população, do
subsolo e dos lençóis subterrâneos (CARVALHO; OLIVEIRA, 2003).
25
De acordo com Coelho (2013), dentre os diversos benefícios de um sistema adequado
de esgotamento sanitário, pode-se citar:
1) Aspecto sanitário: destaca-se pelo destino adequado dos dejetos humanos, visando
fundamentalmente, o controle e à prevenção de doenças relacionadas,
2) Aspecto econômico: a falta de condições adequadas para o destino dos dejetos, acaba
ocorrendo doenças relacionadas, podendo levar o homem a inatividade ou reduzir seu
potencial para o trabalho.
3) Aspecto social: proporciona a melhoria da qualidade de vida da população.
O fluxo natural dos esgotos é por gravidade, isto é, os esgotos fluem naturalmente dos
pontos mais altos para os pontos mais baixos. As águas residuárias provenientes das habitações,
estabelecimentos comerciais e industriais, instituições e edifícios públicos e hospitais, são
conduzidas pelas redes coletoras aos coletores tronco e interceptores.
As canalizações coletoras de esgotos sanitários recebem ao longo de seu traçado, os
coletores prediais (domésticos, comerciais, industriais etc.).
Cada coletor predial recebe e transporta os seus esgotos, à medida que no interior das
habitações os aparelhos sanitários vão lançando os dejetos correspondentes às águas utilizadas
para os diversos fins, o escoamento nas canalizações das extremidades iniciais é bastante
irregular, não só quanto às vazões, como também quanto aos intervalos de tempo de
funcionamento ao longo do dia. A medida que os esgotos atingem condutos de maiores
dimensões, o fluxo vai se tornando contínuo e mais regular.
Pelo fato do escoamento dos esgotos ser por gravidade, as tubulações necessitam de
uma determinada declividade que possibilite o transporte das águas residuárias até o seu destino
final. O escoamento dos esgotos deverá ocorrer sem problemas que impliquem em obstruções
das tubulações ou demais danos que prejudiquem o perfeito funcionamento de todas as unidades
que compõem o sistema de esgotos sanitários.
O dimensionamento hidráulico das canalizações é feito de forma que o esgoto não
chegue a ocupar todo o espaço interno da tubulação. O líquido atinge apenas um determinado
nível, inferior ao diâmetro interno da tubulação, possibilitando então, seu escoamento por
gravidade, sem exercer pressões sobre a parede interna do tubo.
Pode-se observar como funciona o sistema de esgotamento sanitário da seguinte
maneira, como representada na figura 3:
26
Figura 3: Rede Esgoto - Ilustração SABESP.
Fonte: www.saaec.com.br/esgoto/o-que-e-esgoto, 2014.
A contribuição é feita através da ligação domiciliar ou industrial (nesse caso
abordaremos domiciliar) através da rede coletora que interliga a um coletor tronco, que
encaminha até um interceptor, que pode ser a uma estação de tratamento de esgoto ou lagoa,
rio, oceano, etc.
2.7 Estação de Tratamento de Esgoto – ETE
É a unidade operacional do sistema de esgotamento sanitário que através de processos
físicos, químicos ou biológicos removem as cargas poluentes do esgoto, devolvendo ao
ambiente o produto final, efluente tratado, em conformidade com os padrões exigidos pela
legislação ambiental.
ETE são unidades onde o esgoto, após sair das nossas residências e passar pela rede
coletora por meio de um longo sistema de tubos e dispositivos subterrâneos, é levado
para ser tratado, podendo, assim, ser devolvido ao meio ambiente e lançado em algum
meio aquático (Companhia Pernambucana de Saneamento – COMPESA, 2015).
Além disso, é responsável pelo tratamento das águas servidas, reduzindo em 95% seu
potencial de poluição antes de serem lançadas nos rios, lagos e mares de modo a atender a
legislação vigente.
27
2.8 Tipos de Tratamento
No Brasil, são conhecidas várias técnicas de tratamento de esgotos, desde sofisticados
sistemas até os processos mais simples. Dessa forma, podemos citar: reatores anaeróbios de
fluxo ascendente por meio do lodo; decanto-digestores seguidos de filtros anaeróbios; lagoas
de estabilização inovadoras; formas de disposição controlada no solo; entre outras.
Dentre os processos de tratamento do esgoto podem ser físicos, químicos e biológicos.
Entre os existentes, alguns são adotados pela concessionária do estado (COMPESA) em suas
ETE. Como por exemplo: Decantador, UASB ou RAFA, Tanque Imhoff, Lagoa de
Estabilização, Lodo Ativado com Aeração Prolongada, Vale de Oxidação e Biofiltro.
2.9 O Biogás
Biogás é uma mistura resultante da fermentação anaeróbia de material orgânico
encontrado em resíduos animais e vegetais, lodo de esgoto, lixo ou efluentes industriais, como
vinhaça, restos de matadouro, curtumes e fábricas de alimentos (GIACAGLIA; SILVA DIAS,
1993). A composição típica do biogás é cerca de 60% de metano, 35% de dióxido de carbono
e 5% de uma mistura de hidrogênio, nitrogênio, amônia, ácido sulfúrico, monóxido de carbono,
aminas voláteis e oxigênio (WEREKO-BROBBY; HAGEN, 2000). Dependendo da eficiência
do processo, influenciado por fatores como carga orgânica, pressão e temperatura durante a
fermentação, o biogás pode conter entre 40% e 80% de metano.
Segundo Nogueira (1992), o biogás foi identificado inicialmente por Robert Boyle em
1692 e em anos posteriores trabalhos de pesquisa sobre este tema foram desenvolvidos. Durante
meados do século XIX, Ulysse Gayon, aluno de Pasteur realizou fermentação anaeróbia de uma
mistura de estrume1 contendo água obtendo como resultado um gás que poderia ser utilizado
como fonte de aquecimento e iluminação, segundo Pierobon (2007).
O biogás é uma mistura gasosa incolor, insolúvel em água. A média dos componentes
da mistura gasosa pode ser visualizada na tabela 6:
Tabela 6: Composição média do Biogás.
Substância
Metano (CH4)
Dióxido de Carbono (CO2)
Nitrogênio (N2)
1
Percentual de volume
molar (%)
55 a 75
25 a 45
0a3
Percentual de volume molar
- Caso conservador (%)
55,00
42,20
1,50
Estrumo ou esterco: é o nome dado ao material orgânico em avançado estado de decomposição.
28
Oxigênio (O2)
Sulfeto de Hidrogênio (H2S)
Amoníaco (NH3)
Monóxido de Carbono (CO2)
0a1
0a1
0 a 0,5
0 a 0,1
0,50
0,50
0,25
0,05
Fonte: Azevedo, 2000.
De acordo com SANTOS (2009), a densidade do biogás é inferior ao do ar atmosférico.
No entanto, o biogás oferece menor risco de explosão por não se acumular facilmente ao nível
do solo, todavia a baixa densidade implica que o volume ocupado pelo gás é significativo lhe
conferindo desvantagens para armazenagem, transporte e utilização.
Por se tratar de uma mistura gasosa, o biogás contém uma série de impurezas com
destaque para os compostos de enxofre e amoníaco apresentados na tabela 6. Segundo
Andersson et al. e Bishop (2004 apud SANTOS, 2009, p. 6), as combinações de concentração
de sulfeto de hidrogênio e amoníaco são corrosivas para diversos materiais como cobre, latão e
aço, podendo até se tornar tóxico dependendo das condições de reação com os mesmos.
2.10 Geração de Biogás Oriundo de ETE
Há grande interesse na utilização do biogás gerado nos processos anaeróbios como fonte
de energia. A mistura desses gases é composta por 60 a 70% de metano, 25 a 30% de gás
carbônico e pequenas percentagens de hidrogênio, nitrogênio e gás sulfídrico (NUVOLARI,
2003).
O uso do biogás traz inúmeras vantagens, principalmente, no que se trata dos benefícios
socioambientais, uma vez que a sua utilização evita o lançamento de metano na atmosfera, e,
por ser um gás de origem renovável pode trazer retorno financeiro com a sua utilização e
aproveitamento.
Os gases provenientes de qualquer instalação que receba esgotos sanitários brutos para
realização de seu tratamento apresentam potencialidade de exalação de maus odores
ou de gases que podem ter efeitos danosos aos operadores e circunvizinhança.
(CAMPOS; PAGLIUSO, 1999, p. 249).
Diante da situação supracitada, os Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente - RAFA,
onde ocorre a maior formação de gases, pois, há uma proliferação de microrganismos mais
acentuada. Contudo, podem gerar diferentes gases, dependendo do substrato que é submetido
o tratamento do esgoto.
29
Os principais gases gerados nesses reatores são: metano (CH4), gás carbônico (CO2),
gás amoníaco (NH3), gás sulfídrico (H2S), hidrogênio (H2) e oxigênio (O2). De acordo com o
fluxograma da figura 4, há a designação dos processos envolvidos e produtos formados:
Figura 4: Principais produtos gasosos gerados em reatores anaeróbios.
Fonte: Adaptado de Christensen, T.H. et al., (1992).
Nas etapas de digestão anaeróbia, são reconhecidos quatro estágios: hidrólise,
acidogênese, acetogênese e metanogênese. Esses processos, pôde ser visualizado na figura 4,
através de um fluxograma.
A produção de biogás, por pessoa atendida em uma ETE, pode variar
predominantemente, na faixa de 5 a 20 l/pessoa por dia, sendo que a participação de
metano, em volume, pode variar na faixa de 50% a 70%. O restante é composto por
CO2, NH3, N2, H2, mercaptanas2, outros gases e vapor de água. (CAMPOS;
PAGLIUSO, 1999, p. 252).
No entanto, a obtenção do biogás é feita a partir da decomposição da matéria orgânica,
através de bactérias que não precisam de ar para sobreviver. Com isso, deve-se haver o cuidado
para que o ambiente seja o mais vedado possível.
2
Mercaptanas: composto organossulfurado que contém um grupo –SH.
30
2.11 Processos da Geração do Biogás
Como sabe-se, o biogás é uma mistura de gases provenientes da decomposição
anaeróbia de matéria orgânica. Dessa forma, a decomposição consegue influenciar diretamente
em uma maior produção de metano e menor produção de biomassa celular. Para a obtenção do
biogás, são necessários alguns processos anteriores, que são: hidrólise, acidogênese,
acetogênese e metanogênese.
2.11.1 Hidrólise
De acordo com Foresti et al., (1999), no processo de hidrólise, o material orgânico
particulado é convertido em compostos dissolvidos de menor peso molecular. O processo
requer a interferência das chamadas exo-enzimas que são excretadas pelas bactérias
fermentativas. As proteínas são degradadas por meio de (poli) peptídeos para formar
aminoácidos. Os carboidratos se transformam em açúcares solúveis (mono e dissacarídeos) e
os lipídios são convertidos em ácidos graxos de longa cadeia de carbono e glicerina. Em muitos
casos, na prática, a velocidade de hidrólise pode ser a etapa limitativa para todo o processo da
digestão anaeróbia, isto é, a velocidade da conversão do material orgânico complexo para
biogás é limitada pela velocidade da hidrólise.
Na hidrólise as ligações moleculares complexas como carboidratos, proteínas, gorduras,
são quebradas e dão origem aos aminoácidos, ácidos graxos e açúcares, por exemplo.
2.11.2 Acidogênese
A acidogênese é efetuada por um grande e diversos grupo de bactérias fermentativas.
Algumas espécies são facultativas e metabolizam o material orgânico por via oxidativa.
Os compostos dissolvidos, gerados no processo de hidrólise ou liquefação, são
absorvidos nas células nas células das bactérias fermentativas e, após a acidogênese,
excretadas como substâncias orgânicas simples como ácidos graxos voláteis de cadeia
curta, álcoois, ácido lático e compostos minerais como CO2, H2, NH3, H2S etc. A
fermentação acidogênica é realizada por um grupo diversificado de bactérias, das
quais a maioria é anaeróbia obrigatória. Entretanto, algumas espécies são facultativas
e podem metabolizar material orgânico por via oxidativa. Isso é importante nos
sistemas de tratamento anaeróbio de esgoto, porque o oxigênio dissolvido,
eventualmente presente, poderia se tornar uma substância tóxica para as bactérias
metanogênicas se não fosse removido pelas bactérias acidogênicas facultativas.
(FORESTI, E. et al., 1999, p. 33 e 34).
31
Na acidogênese as substâncias resultantes da hidrólise são transformadas por bactérias
fermentativas em ácido propanoico, ácido butanoico, ácido láctico, álcoois, e outros.
2.11.3 Acetogênese
Segundo o mesmo autor supracitado Foresti et al., (1999, p. 34 e 35), a acetogênese é a
conversão dos produtos da acidogênese em compostos que formam os substratos para produção
de metano: acetato, hidrogênio e dióxido de carbono. O material resultante desse processo é
transformado em hidrogênio, acetato e gás carbônico para finalmente serem transformados em
metano.
2.11.4 Metanogênese
Foresti et al., (1999, p. 35) nos designa que o metano é produzido pelas bactérias
acetróficas, a partir da redução de ácido acético, ou pelas bactérias hidrogenotróficas, a partir
da redução de dióxido de carbono. Tem-se as seguintes reações catabólicas:

Metanogênese acetrófica ou acetoclástica:
CH3COO- + H+

CH4 + CO
Metanogênese hidrogenotrófica:
4H2 + HCO3- + H+
CH4 + 2H2O
As bactérias que produzem metano a partir do hidrogênio crescem mais rapidamente
que aquelas que usam ácido acético, de modo que as metanogênicas acetotróficas
geralmente limitam a velocidade de transformação de material orgânico complexo.
(FORESTI, E. et al., 1999, p. 35).
O processo de digestão é desenvolvido por uma sequência de ações realizadas por uma
gama muito grande e variável de bactérias, no qual pode-se distinguir quatro fases
subsequentes: hidrólise, acidogênese, acetogênese e metanogênese (Van Haandel e Lettinga,
1994). Tem-se, então, uma cadeia sucessiva de reações bioquímicas, onde inicialmente
acontece a hidrólise ou quebra das moléculas de proteínas, lipídios e carboidratos até a
formação dos produtos finais, essencialmente gás metano e dióxido de carbono. Na figura 5,
mostra-se a sequência dos processos de formação do metano (biogás):
32
Figura 5: A sequência de processos na digestão anaeróbia de macro moléculas complexas.
Fonte: Adaptado de Foresti et al., (1999).
2.12 Destino e Utilização do Biogás
Os gases provenientes da ETE, devem ser considerados como emissão poluidora. Dessa
forma, o destino pode ser: o tratamento, a combustão ou o reuso controlado (CAMPOS;
PAGLIUSO, 1999).
Ainda de acordo com Campos e Pagliuso (1999), o reuso precisa ser verificado sob o
aspecto técnico, econômico e ambiental. As alternativas para o reuso, pode-se pensar em: uso
em motores de combustão interna, uso direto do biogás, distribuição em rede após tratamento
adequado, alimentação de caldeiras, geração de energia elétrica (geralmente, a eficiência de
geradores alimentados com biogás tratado varia na faixa de 15% a 30%). Dessa forma, para
ser utilizado em motores de combustão interna é necessário ser feito a retirada do gás carbônico,
gás sulfeto de hidrogênio e vapor de água e outros compostos.
Para a geração de energia elétrica, tendo o biogás como fonte, é realizada por meio do
uso para a alimentação de grupos moto-gerador. São possíveis duas finalidades para a energia
elétrica gerada: o primeiro e melhor remunerado é a comercialização com a concessionária de
distribuição, por meio de uma chamada pública de compra de energia. A chamada pública é um
mecanismo regulado, pelo qual a concessionária de distribuição pode comprar energia elétrica
33
de pequenos geradores. Outra finalidade é a adesão do gerador ao sistema de compensação de
energia com a concessionária de distribuição. Neste sistema, o gerador utiliza o sistema de
distribuição como uma bateria – quando gera mais energia do que consome, adquire crédito
para compensar em momentos em que o consumo é maior que a geração. A venda dos
excedentes de energia elétrica pode ser realizada por meio de contratos com concessionárias
distribuidoras, em chamadas públicas, reguladas pelas instruções normativas da ANEEL.
2.13 Tratamento do Biogás
Campos e Pagliuso (1999) ainda cita que o tratamento do biogás visa à eliminação do
odor e redução de compostos poluentes, pode ser efetuado de acordo com as seguintes
alternativas: bioinfiltração, adsorção em carvão ativado, absorção química, oxidação térmica.
2.13.1 Biofiltração
O princípio de funcionamento do biofiltro é a passagem de uma gás, carregado com
poluente, através de um meio suporte úmido, geralmente de origem natural, onde estão fixados
os microrganismos. “Os biofiltros são constituídos por leitos de material orgânico enriquecido
com inóculo e nutrientes, por meio do qual os gases a serem tratados escoam no sentido
ascendente ou descendente”. (CAMPOS; PAGLIUSO, 1999, p. 256).
A biofiltração deve ser destacada por sua importância como pré-tratamento antecedendo
queimadores. Na figura 6, mostra-se um esquema de um biofiltro típico:
Figura 6: Esquema de um biofiltro típico.
Fonte: Campos e Pagliuso, 1999.
34
O processo de biofiltração consiste em duas etapas principais. Na primeira, o gás é
transferido a partir da parte inferior para a parte superior, onde se encontro a película de líquido
(água) e então é adsorvido num suporte sólido. Na última etapa, o poluente é biodegradado
pelos microrganismos presentes no leito.
2.13.2 Adsorção em Carvão Ativado
Na remoção de odores, o carvão ativado é um dos sólidos utilizado de maneira efetiva
e o mais empregado. Outros sólidos são menos utilizados que o carvão, entre eles a alumina, a
bauxita, a sílica gel e o “carvão de churrasco” (CAMPOS; PAGLIUSO, 1999). O que limita a
utilização desses sólidos estão em geral ligadas à absorção de água, que reduz a eficiência de
adsorção.
2.13.3 Absorção Química
Fenômeno físico ou químico em que átomos, moléculas ou íons introduzem-se em
alguma outra fase, nesse caso, a água pressurizada com as partículas do gás. A substância
absorvida se infiltra na substância que absorve, diferentemente da adsorção, já que espécies
químicas submetidas a absorção são absorvidas pelo volume, não pela superfície (como no caso
de adsorção).
2.13.4 Oxidação Térmica
De acordo com Domene (2015), a oxidação térmica é a transformação de componentes
passíveis de serem oxidados termicamente e transformados em vapor d’água, dióxido de
carbono e nitrogênio, sendo talvez a única solução efetiva para resolver determinados
problemas de emissão de poluentes.
Nesse tipo de processo, há dois tipos de incineração: térmica e catalítica. Na incineração
térmica, é necessário adicionar um combustível auxiliar para auxiliar na combustão dos gases,
pois por si só são incapazes de manter a combustão. Já na incineração catalítica, requer
temperaturas menores que a térmica, tendo a necessidade de pré-aquecimento menor.
35
2.14 Tecnologias de Conversão
Pode-se utilizar de duas situações possíveis para o aproveitamento do biogás: o primeiro
caso consiste na queima direta (aquecedores, esquentadores, fogões, caldeiras); o segundo caso
diz respeito à conversão de biogás em eletricidade. Isto significa que o biogás permite a
produção de energia elétrica e térmica. Diante disso, pode contribuir para a resolução de
problemas de poluição de efluentes.
Existem diversas tecnologias para efetuar a conversão de energética do biogás. Nesse
caso, a conversão energética caracteriza-se como a transformação de energia em outro
tipo. Ou seja, a energia química contida em suas moléculas é convertida em energia
mecânica por um processo de combustão controlada, que por sua vez ativa um gerador
que a converte em energia elétrica. (COELHO, S. T. et al., p. 3).
Entre as tecnologias para conversão energética do biogás mais utilizada atualmente,
destacam-se os motores de combustão interna – Ciclo Otto e as microturbinas. Além de poder
substituir os combustíveis fósseis, reduzindo as emissões de gases de efeito estufa. Dessa forma,
pode resultar em externalidades positivas, capazes de serem mensuradas – além de ser viável
economicamente. Pode-se obter receita pela venda de energia elétrica gerada ou pela
comercialização de créditos de carbono no Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL),
previsto pelo protocolo de Quioto – um acordo internacional, estabelecido em 1997 no Japão,
que prevê metas de redução de emissão de gases de efeito estufa, bem como mecanismos de
implementação para que estas metas sejam atingidas.
2.14.1 Motores Ciclo Otto
De acordo com o ICLEI – Brasil, o motor ciclo Otto é o equipamento mais utilizado
para queima do biogás, devido ao maior rendimento elétrico e menor custo quando comparado
às outras tecnologias. Para promover a queima do biogás, são necessárias pequenas
modificações nos sistemas de alimentação, ignição e taxa de compressão.
Comumente conhecido como motores de 4 (quatro) tempos, pois seu funcionamento
ocorre sequencialmente em quatro etapas. Segundo Bertulani (1999), adaptado pelo ICLEI –
Brasil, o princípio de funcionamento consiste em:

Admissão: abertura da válvula de admissão através da qual é injetada ao cilindro a
mistura ar-combustível e o pistão é empurrado para baixo com o movimento do
virabrequim;
36

Compressão: fechamento da válvula de admissão e compressão da mistura (ordem de
10:1) e conforme o pistão sobe (antes de chegar a parte superior) a vela gera uma faísca;

Combustão ou Explosão: onde ocorre a combustão da mistura e expansão dos gases
quentes formados. Essa expansão dos gases promove uma determinada força,
permitindo que o pistão desça;

Exaustão ou Expulsão: abertura da válvula de escape através da qual os gases são
expulsos pelo pistão.
Na figura 7, apresenta o funcionamento de um motor tipo ciclo Otto:
Figura 7: Esquema de funcionamento de um motor ciclo Otto.
Fonte: http://abastecendoavida.blogspot.com.br/2010/10/diferencas-entre-motores-alcool.html, 2010.
O ICLEI – Brasil mostra que as vantagens para uso dos motores tipo Otto são: geração
de energia elétrica para o próprio consumo, economia de dinheiro em relação à energia
proveniente da concessionária, possibilidade de obtenção de receita adicional pela venda de
excedente de energia, possibilidade de obtenção e comercialização de créditos de carbono
(considerada 100% de eficiência de queima).
Como também o ICLEI – Brasil apresenta as seguintes desvantagens: motores de grande
porte são importados, já que, no Brasil, a maior potência disponível é de aproximadamente 230
kW (isso faz com que o investimento seja elevado, pois as potências hoje disponíveis no
mercado variam de 5 kW a 1,6 MW), baixo rendimento - aproximadamente 28%, altos valores
37
de emissão de NOx (gás de grande impacto ambiental). Dependendo do porte do motor, a
emissão de NOx varia entre 250 e 3.000 ppm (parte por milhão).
2.14.2 Microturbinas a Gás
As microturbinas são utilizadas em aplicações de geração de energia elétrica que
incluem cogeração, uso de combustíveis renováveis, energia elétrica de alta qualidade e
veículos elétricos híbridos (VHE).
Nas microturbinas, o ar é forçado para seu interior a alta velocidade e pressão,
misturado ao combustível, para então, ser queimado na câmara de combustão. Os
gases resultantes da combustão são expandidos na turbina e o calor remanescente dos
gases de exaustão pode ser aproveitado para aquecimento do ar de combustão (ICLEI
– BRASIL).
Na figura 8 apresenta-se a ilustração de microturbina a gás contendo os detalhes internos
do equipamento.
Figura 8: Ilustração da microturbina à gás.
Fonte: www.heimer.com.br/v3/br/microturbina.html, 2012.
Além das vantagens apresentadas nos motores Ciclo Otto, as microturbinas apresentam
os seguintes benefícios segundo o ICLEI – Brasil: baixos níveis de ruídos e vibrações,
flexibilidade de combustível (dentre eles o biogás), dimensões reduzidas e simplicidade de
instalação podendo ser instaladas em locais cobertos ou ao ar livre, emissões de NOx são
38
menores que 9 ppm nas microturbinas de baixa potência (30 a 100 kW) e podem chegar a 100
ppm nas de maior potência.
Da mesma forma, apresentam as desvantagens: equipamentos importados (investimento
inicial elevado; as potências hoje disponíveis no mercado variam de 30 kW a 1,0 MW), alto
custo de operação e manutenção, quando comparada a outras tecnologias existentes,
necessidade de um rígido sistema de limpeza do biogás e remodelação da microturbina para sua
queima, já que é um gás de baixo poder calorífico.
Além dessas desvantagens anteriormente citadas, possui um baixo rendimento aproximadamente 28%. Porém, quando utilizadas em instalações de cogeração, sua eficiência
pode chegar a mais de 80% (HAMILTON, 2003).
2.15 Cenário e Panorama Futuro do Uso do Biogás no Setor Energético
O potencial de aproveitamento energético do biogás depende, sobretudo, da
viabilidade econômica dos projetos integrados de produção, coleta e utilização do
biogás. Na avaliação da viabilidade econômica dos projetos devem ser considerados
inicialmente os custos de investimento e operação e manutenção para cada projeto
específico e as receitas obtidas com a venda de energia ou a redução de custos
proporcionada. O uso final do biogás, neste caso, é o fator determinante, uma vez que
todos os parâmetros econômicos dependem da utilização do combustível, seja para
produção de calor, eletricidade, co-geração ou simplesmente a comercialização do
gás. (ZANETTE, 2009, p. 44).
No Brasil, o aproveitamento do biogás ainda é incipiente, com apenas 42 MW de
capacidade instalada e 20 MW em construção (ANEEL, 2009). Considerando a elevada
concentração da população brasileira em grandes centros urbanos e a expressiva produção
agropecuária e agroindustrial (e, portanto, de resíduos e efluentes domésticos, agropecuários e
agroindustriais), é natural acreditar que o atual aproveitamento do biogás no Brasil encontra-se
bastante aquém do seu potencial.
Considerando o estágio atual dos serviços de coleta e tratamento de esgotos no Brasil,
o potencial de aproveitamento energético do biogás é pouco expressivo, limitado a algumas
estações de tratamento que possuem reatores anaeróbicos ou digestores de lodo.
De acordo com a Pesquisa Nacional de Saneamento Básico 2000 (IBGE, 2002), dos
1.383 distritos brasileiros que possuíam tratamento de esgotos, cerca de 300 utilizavam reatores
anaeróbicos. Dos estados brasileiros que mais utilizavam esse tipo de tratamento destaca-se o
Paraná, com 112 reatores anaeróbicos, o que indica um razoável potencial de aproveitamento
energético do biogás nesse estado. O estado de São Paulo também merece destaque, por
concentrar quase 70% das estações de tratamento que utilizam processos aeróbicos de lodo
39
ativado, muitas das quais com digestores de lodo. A pesquisa destaca ainda a elevada utilização
de sistemas de tratamento pouco eficientes, como as lagoas anaeróbicas, aeróbias e facultativas.
A expansão dos serviços de coleta e tratamento de esgotos pode modificar
substancialmente essa situação, e a possibilidade de aproveitamento energético do biogás pode,
inclusive, influenciar a escolha da tecnologia adotada para a expansão dos serviços de
tratamento de esgotos.
Na indústria de papel e celulose, apesar do crescente investimento em processos de
tratamento anaeróbico de efluentes (que apresentam elevada eficiência na redução da DQO –
da ordem de 80%), os processos de lodo ativado (aeróbicos) ainda predominam (THOMPSON
et al., 2001). Finalmente, destaca-se a aplicação dos processos anaeróbicos de tratamento de
efluentes com o aproveitamento de biogás nas principais indústrias de bebidas do Brasil
(especialmente em cervejarias), como a AmBev e a Schincariol.
Em geral, o aproveitamento do biogás é viável em estações de tratamento de efluentes com
digestão anaeróbica do lodo e em aterros sanitários que atendem a uma população superior a
200.000 habitantes, e em fazendas de suínos e de pecuária leiteira com pelo menos 5.000
animais e cerca de 1.000 animais, respectivamente.
2.16 Eficiência Energética a Partir de Biogás
O potencial de aproveitamento energético do biogás depende, sobretudo, da viabilidade
econômica dos projetos integrados de produção, coleta e utilização do biogás. Na
avaliação da viabilidade econômica dos projetos devem ser considerados inicialmente os
custos de investimento e operação e manutenção para cada projeto específico e as
receitas obtidas com a venda de energia ou a redução de custos proporcionada. O uso
final do biogás, neste caso, é o fator determinante, uma vez que todos os parâmetros
econômicos dependem da utilização do combustível, seja para produção de calor, eletricidade
ou co-geração.
O poder calorífico do biogás tratado é da ordem de 0,60 do de gás natural,
demonstrando potencialidade de uso controlado. Seu poder calorífico é muito
variável, porém resulta geralmente próxima a 5,9 kWh/m3, quando seco e previamente
tratado. (CAMPOS; PAGLIUSO, 1999, p. 255).
Em contrapartida, deve-se levar em consideração a sua agressividade, em termos de
corrosão, pois afetará diretamente na vida útil dos equipamentos utilizados e em sua eficiência.
40
2.16.1 Poder Calorífico
Segundo Azevedo (2000), o poder calorífico superior e inferior de biogás apresenta
faixas de variação conforme a tabela 7. Define-se poder calorífico superior o poder calórico de
combustão que resulta água na fase de vapor e poder calorífico inferior que resulta em água na
fase líquida.
Tabela 7: Faixa de poder calorífico.
Poder Calorífico
Superior (MJ/kg)
Inferior (MJ/kg)
Faixa de Variação
17 a 37
15 a 34
Fonte: Azevedo, 2000.
Em posse do poder calorífico do biogás, é possível compará-lo com outros
combustíveis, conforme a tabela 8:
Tabela 8: Poder calorífico de combustíveis em MJ/kg.
Combustível
Metano
Gás Natural
Gasolina
Diesel (leve)
Diesel (pesado)
Gás de Refinaria
Etanol
Carvão Vegetal
Metanol
Madeira Seca
Madeira (25% a 30% umidade)
Poder Calorífico Superior Poder Calorífico Inferior
55,5
50,0
50,0
45,0
47,3
44,0
44,8
42,5
43,8
41,4
42,3
38,6
29,7
26,9
29,7
n/d
22,7
20,0
19,8 a 20,9
n/d
14,6
n/d
Fonte: Azevedo, 2000.
Verifica-se que o biogás apresenta um poder calorífico inferior ao do metano sendo
comparável com o etanol, metanol, carvão vegetal e madeira.
Para que o biogás possa ser utilizado como combustível, seja em motores, turbinas a
gás ou microturbinas, é necessário identificar sua vazão, composição química e poder
calorífico, parâmetros que determinam o real potencial de geração de energia elétrica,
além de permitir dimensionar os processos de pré-tratamento do biogás, como a
remoção de H2S (ácido sulfídrico) e da umidade, com o propósito de evitar danos aos
equipamentos da instalação e aumentar seu poder calorífico. (COELHO et al., p. 2).
41
Com os parâmetros supracitados pelos autores, pode-se identificar os tipos de
tratamentos para os gases, evitando assim o comprometimento do rendimento do motor e danos
ao equipamento. Esses parâmetros são de fundamental importância, podendo-o comparar com
outros materiais, designando a eficácia de cada um deles.
De acordo com a tabela 9, apresenta-se a comparação entre diversas propriedades do
metano e da gasolina para fins de alimentação de um motor de combustão interna.
Tabela 9: Comparação entre propriedades do metano e da gasolina.
PROPRIEDADE
Densidade (Kg/N.m³)
Poder calorífico inferior (Kcal/Kg)
Razão ar-combustível estequiométrica (massa)
Razão ar-combustível estequiométrica (volumétrica)
Conteúdo energético da mistura (Kcal/N.m³)
Calor latente de evaporação (Kcal/Kg)
Temperatura de auto-ignição a 1 atm (°C)
Limite de inflamabilidade (%)
Energia mínima para ignição (Mj)
Velocidade de chama laminar (cm/s)
Temperatura adiabática de chama (°C)
Número de octanas
CH4
0,718
~11900
17,2
9,55
~810
122
~650
5,3 a 36
0,28
33,8
2227
120
GASOLINA
5,093
~10600
14,9
59
~900
~70
~500
1,2 a 6
0,25
~38
2270
92 ~ 98
Fonte: CIBIOGÁS – ENERGIAS RENOVÁVEIS; Embrapa; CIH – Centro Internacional de
Hidroinformática; PTI – Parque Tecnológico Itaípu; ITAIPU BINACIONAL, 2015.
Observa-se que, a partir das propriedades relacionadas apesar do metano possuir um
poder calorífico inferior 12% maior que a gasolina, o conteúdo energético por unidade de
volume da mistura estequiométrica do metano/ar é 10% menor em relação à mistura ar/gasolina.
Isso implica em uma queda de potência de 10%.
2.16.2 Equivalência Energética
Verifica-se que o biogás in natura apresenta um poder calorífico inferior ao do metano
sendo comparável com o etanol, metanol, carvão vegetal e madeira. De acordo com a tabela 10,
para Santos (2000), 1 m³ de biogás equivale a 6,5 kWh. Há também a equivalência energética
do biogás com outras fontes de energia, como mostra na mesma tabela 10:
42
Tabela 10: Equivalência energética do biogás com outras fontes de energia.
Energético
Gasolina (L)
Querosene (L)
Diesel (L)
GLP (kg)
Álcool (L)
Carvão Mineral (kg)
Lenha (kg)
Eletricidade (kWh)
Ferraz e
Mariel (1980)
Sganzerla
(1983)
Nogueira
(1986)
Santos (2000)
0,61
0,58
0,55
0,45
1,43
0,613
0,579
0,553
0,454
0,79
0,735
1,538
1,428
0,61
0,62
0,55
1,43
0,8
0,74
3,5
-
0,6
0,6
1,6
6,5
Fonte: Adaptado por Catapan, A.; Catapan, D. C. e Catapan, E. A., de Ferraz e Mariel (1980), Sganzerla
(1983), Nogueira (1986) e Santos (2000).
Dessa forma, percebe-se que o biogás pode ser aproveitado como uma fonte altamente
energética no âmbito de geração de energia elétrica, co-geração e como combustível. No
entanto, dependendo da finalidade alguns processos de tratamento e adaptações precisarão
serem feitos.
43
3 METODOLOGIA
3.1 Classificação da Pesquisa
Neste trabalho, o procedimento metodológico foi desenvolvido inicialmente a partir de
uma revisão bibliográfica com autores nas temáticas inerentes ao presente estudo tais como
sistema de esgotamento sanitário, estações de tratamento, geração de biogás e tecnologias para
implantação e geração de energia elétrica a partir deste processo.
Dessa forma pode-se classificar a pesquisa como sendo realizada de forma exploratória,
como também trata-se de um estudo de caso uma vez que todos as coletas de dados e análises
foram realizadas a partir de uma unidade específica localizada na cidade de Caruaru. A
problemática delineada para este estudo teve uma abordagem quantitativa, ou seja, expor e
quantificar a geração de energia através do biogás.
Para subsidiar este trabalho foi necessário a coleta de informações acerca da extração
do biogás e de que forma pode-se utilizá-lo tendo como cenário de estudo a Estação de
Tratamento de Esgoto – ETE, do bairro das Rendeiras, em Caruaru – PE. Aliado aos fatos
mencionados foram ainda analisadas as técnicas e os custos envolvidos para implantação,
extração e utilização do biogás na unidade citada. Sendo assim, o método escolhido foi o de
estudo de caso, pois permite a realização de uma pesquisa detalhada e aprofundada, através da
definição da unidade para o estudo referido, permitindo um amplo conhecimento (GIL, 2008).
3.2 Universo e Amostra
A cidade escolhida para o estudo foi Caruaru, pois além de ser uma cidade muito
promissora acerca do desenvolvimento econômico (atualmente figura entra a 5ª cidade com
maior PIB do Estado de Pernambuco e 1ª fora do Recife, Região Metropolitana e Zona da
Mata), há uma demanda considerável de esgotos de uso doméstico na Estação de Tratamento
de Esgoto, localizada no bairro das Rendeiras.
Dessa forma, a escolha baseou-se na limitação do uso de energia elétrica fornecida pela
concessionária elétrica (CELPE – Companhia Elétrica de Pernambuco), na qual, o biogás
gerado na ETE servirá para o próprio uso de energia, tornando-o uma fonte viável.
44
3.3 Coleta e Análise de Dados
Após a escolha do tema e do local de estudo, buscou-se fontes que pudessem ajudar na
contextualização do universo e da amostra da pesquisa em questão. A fim de evidenciar, através
das informações coletadas e obtidas por meio de relatórios internos da concessionária de coleta
de esgoto, o quanto de energia está sendo desperdiçada através da não utilização do biogás
como fonte energética sustentável, destacando assim, a relevância do trabalho.
3.3.1 Contextualização da Cidade de Caruaru
Caruaru é um município brasileiro do estado de Pernambuco, situado na região Nordeste
do país. Pertence à mesorregião do Agreste Pernambucano e a microrregião do Vale do Ipojuca.
Localiza-se a oeste da capital do estado – Recife, distando desta cerca de 130 km. Ocupa uma
área de 920,611 km2, sendo que apenas 16,650 km2 estão em perímetro urbano e os 903, 961
km2 restantes formam a zona rural. As cidades limítrofes são Brejo da Madre de Deus e São
Caetano, a oeste; Toritama, Vertentes e Frei Miguelinho, a norte; Riacho das Almas e Bezerros,
a leste; e Altinho e Agrestina, a sul.
De acordo com os dados obtidos do último censo realizado em 2014 pelo IBGE, a
população de Caruaru é em torno de 342.328 habitantes, sendo então mais populoso do interior
pernambucano. É também conhecida como “Capital do Forró”, “Capital do Agreste” e a
“Princesinha do Agreste”. Logo abaixo, na figura 9, encontra-se a localização geográfica de
Caruaru no estado de Pernambuco:
Figura 9: Mapa de Pernambuco com destaque para Caruaru.
Fonte: COMPESA, 2015.
45
O desenvolvimento do município teve seu apogeu a partir de 1896, após a construção
da Great Western, a linha férrea que conecta a cidade à capital pernambucana. Pelos seus trilhos
era escoada a produção agrícola, além das mercadorias tradicional da feira. Iniciada em 2001
pelo governo do Estado, a duplicação da principal rodovia que dá acesso ao município, a BR232, foi crucial para a industrialização da sua economia e o crescimento do setor de serviços,
já que com a nova rodovia o número de turistas em dada época do ano era maior, visto que a
duplicação trouxe uma redução no tempo de viagem e mais segurança. O primeiro trecho das
obras foi iniciado no sentido Recife - Caruaru e concluídas em 2003, quando foi dado início a
outro trecho, Caruaru - São Caetano.
O município vem exercendo um importante papel centralizador no Agreste e interior
pernambucano, concentrando o principal pólo médico-hospitalar, acadêmico, cultural e
turístico da região. Possui a maior Festa Junina do mundo, segundo registro do Guinness World
Records (o livro dos recordes), e é internacionalmente conhecida pelos festejos. Detém ainda a
Feira de Caruaru, conhecida por ser uma das maiores feiras ao ar livre do mundo e ter sido
tombada como patrimônio imaterial do país pelo Instituto do Patrimônio Histórico e Artístico
Nacional (IPHAN). Seu artesanato com barro ficou mundialmente conhecido pelas mãos de
Vitalino Pereira dos Santos, o Mestre Vitalino, que representou Pernambuco na exposição de
Arte Primitiva e Moderna Brasileira no ano de 1955, em Neuchâtel, na Suíça, podendo
atualmente ter suas obras contempladas no Museu do Louvre, em Paris, e em sua antiga
residência no Alto do Moura, em Caruaru.
A vegetação predominante é a caatinga, com presença de remanescentes de Mata
Atlântica em brejos de altitude. Possui apenas uma unidade de preservação, o Parque Florestal
Serra dos Cavalos, também chamado de Parque Ecológico João Vasconcelos Sobrinho, no
limite com o município de Altinho, conta com 359 hectare de área protegida. A caatinga é
composta por espécies hiperxerófilas, com a forte presença de arbustos com galhos retorcidos
e com raízes profundas. As espécies mais encontradas são os cactos, caroá, aroeira, angico,
juazeiro, mandacaru e xique-xique. Já a Mata Atlântica, típica dos brejos de altitude no sul do
município é constituída por árvores de médio e grande porte, formada por floresta densa e
fechada. Sendo muito rica em biodiversidade, as árvores de grande porte formam um
microclima dentro da mata, com sombra e muita umidade. As espécies mais comuns são:
palmeiras, bromélia, begônias, orquídeas, cipós, briófitas, pau-brasil, jacaranda, peroba,
jequitibá-rosa, cedro, andira, ananas e figueiras.
O município está situado na unidade geoambiental da Província da Borborema, sendo
formada por maciços e outeiros altos, com altitudes que variam entre 600 a 1 000 metros. O
46
relevo é predominantemente movimentado, com vales profundos e vales dissecados, com
altitude média de 554 metros acima do nível do mar. Está localizado no Planalto da Borborema
e seu ponto culminante é o Morro do Bom Jesus, com 630 metros acima do nível do mar. O
território municipal é recortado por rios perenes de baixa vazão, tendo também pequeno
potencial de água subterrânea. Situa-se na bacia hidrográfica do Rio Ipojuca e do Rio
Capibaribe, tendo como seus principais cursos hidrográficos os riachos Tabocas, Caiçara,
Borba, da Onça, Olho d'água, Mandacaru do Norte, Caparatós, São Bento, Curtume e Taquara.
Seus principais corpos de acumulação de água são os açudes Eng°. Gercino de Pontes
(13.600.000 m³), Taquara (1.100.000 m³), Guilherme (786.000 m³), Serra dos Cavalos (761.000
m³) e Jaime Nejaim (100.000 m³).
3.3.2 Contextualização da Estação de Tratamento de Esgoto – Rendeiras
A ETE localizada no bairro das Rendeiras, em Caruaru – PE, não opera com seu sistema
em sua totalidade. Apesar disso, é obtido um DBO aproximadamente em torno de 90%.
Percebe-se que a lagoa de decantação está em fase de construção, por exemplo. Na figura 10,
será apresentado a localização da ETE com relação a cidade de Caruaru.
Figura 10: Localização da ETE frente a cidade de Caruaru.
Fonte: Google Earth, 2015.
Na figura 11, mostra-se a vista aérea da ETE, com destaque para a UASB e a lagoa de
decantação, além de ser cercada pelo Rio Ipojuca.
47
Figura 11: Vista aérea da ETE.
Fonte: Google Earth, 2015.
Atualmente a ETE contempla vários bairros, alguns em sua totalidade, outros
parcialmente. Dessa maneira, podemos citar alguns bairros que o esgoto é tratado, como por
exemplo: Boa Vista I e II, Nova Caruaru, Salgado, INOCOOP, Centro, Indianópolis, Maurício
de Nassau, Rendeiras, Cedro, Cohab III, entre outros. Apenas 40 % dos esgotos de Caruaru é
tratada pela ETE, os demais não são tratados e são jogados no Rio Ipojuca sem nenhum ou
quase nenhum tratamento prévio. Na figura 12, temos uma visão sobre as áreas saneadas e não
saneadas, com seus respectivos percentuais de captação.
Figura 12: Áreas saneadas e não saneadas, e seus respectivos percentuais de captação.
Fonte: COMPESA, 2015.
48
3.3.3 Caracterização da ETE – Rendeiras
O município de Caruaru possui um moderno sistema de tratamento que está baseado no
uso de duas tecnologias: anaeróbia e aeróbia.
3.3.3.1 Tratamento de Esgotos na ETE - Caruaru
Na figura 13, será mostrado através de uma ilustração o funcionamento da ETE –
Caruaru:
Figura 13: Tratamento de Esgoto da ETE – Caruaru
Fonte: COMPESA, 2015.
De acordo com as numerações acima referenciadas, logo abaixo será indicado o
processo e operação:
1. O tratamento de esgotos tem início nas GRADES DE BARRAS – unidade que tem a função
de remover os sólidos: plásticos, garrafas, madeiras, etc. As grades ficam nas estações
elevatórias de esgoto que enviam para a ETE Caruaru.
2. Ao chegar na ETE, os esgotos seguem para a CAIXA DE REUNIÃO, local onde são reunidos
os esgotos de todas as estações elevatórias.
49
3. Após a caixa de reunião, os esgotos seguem para a CAIXA DE AREIA, que tem como
objetivo retirar a areia que chega com os esgotos, protegendo os equipamentos, tubulações e o
correto funcionamento do sistema.
4. A CALHA PARSHALL tem a função de medir a vazão dos esgotos que chegam a ETE.
5. Após passar pela Calha Parshall, os esgotos chegam ao UASB – Reator Anaeróbio, onde
passam por tratamento biológico que reduz uma grande carga de poluentes (orgânicos,
inorgânicos, etc); produzindo gás metano e um efluente com melhor qualidade.
6. Na LAGOA DE AERAÇÃO os esgotos recebem continuamente oxigênio por ar difuso,
processo que elimina ainda mais os poluentes, formando um subproduto lodo fresco. Uma parte
deste lodo é recirculado e misturado com esgoto novo, logo após a caixa de reunião, com
objetivo de melhorar o processo.
7. Após a lagoa de aeração, os esgotos passam para a LAGOA DE DECANTAÇÃO, onde o
lodo sedimenta para o fundo da lagoa, sendo separado do esgoto tratado, que sai pela parte
superior da lagoa.
8. No QUEIMADOR DE GASES será queimado o gás metano produzido pela UASB.
9. O ESGOTO TRATADO segue para o CORPO RECEPTOR (rio).
Nas figuras 14, 15, 16, 17 e 18 serão mostradas algumas etapas supracitadas:
Figura 14: Caixa de Reunião de Esgotos.
Fonte: Autoria própria.
50
Figura 15: Caixa de Reunião dos Esgotos e Caixa de Areia.
Fonte: Autoria própria.
Figura 16: Vista Superior do UASB - Reator Anaeróbio.
Fonte: Autoria própria.
51
Figura 17: Queimador dos gases produzidos no UASB.
Fonte: Autoria própria.
Figura 18: Flare - queimador de gás.
Fonte: Autoria própria.
52
4 ANÁLISE E RESULTADO DOS DADOS
4.1 Infraestrutura Necessária do Projeto
Neste tópico, a intenção é apresentar a análise realizada do projeto elaborado na forma
de parceria entre o Centro de Gestão de Tecnologia e Inovação – CGTI, Bueno & Gama
Pesquisa e Desenvolvimento – BGPD, Associação Politécnica de Consultoria –
POLICONSULT, COMPESA e CELPE na unidade de Caruaru.
O projeto proposto visa adequar uma infraestrutura de forma a possibilitar a implantação
de uma usina piloto de geração de energia com o mínimo de 200 kW, usando o biogás da ETE
em Caruaru.
A infraestrutura necessária para a implantação da usina, considera a parte de geração de
biogás e a sua conversão em energia elétrica. Dessa forma, será apresentado os dados obtidos a
partir do projeto citado.
Para a parte de geração de biogás, foram consideradas os seguintes itens:
Existência do Esgoto: Torna-se fundamental a existência do esgoto a ser tratado na ETE de
forma que o lodo gerado no processo de tratamento produza o biogás necessário. Neste item,
considerando que a ETE Caruaru atualmente encontra-se com uma vazão em torno de 150
litros/s. Como a ETE não encontra-se em pleno funcionamento, estimou-se o potencial de 450
litros/s.
Produção do Biogás: Para a produção do biogás no sistema atual na ETE Caruaru, no qual o
lodo seja destinado à lagoa, torna-se necessário realizar as seguintes ações:

Ajustes na ETE – tubulação fora de prumo de coleta de esgoto na UASB (em todas as
4 câmaras), e da UASB;

Completar as campânulas para evitar vazamento de gás por elas, melhorando assim a
captação de gás (não estão cruzando – assim o gás escapa pelo reator);

A coleta de gases não está sendo feita pela tubulação de biogás, pois, os locais de
captação estão inadequados. A tubulação é curta e não há pressão negativa para que o
biogás preferencialmente entre na tubulação de coleta de biogás;
53

Consertar e impermeabilizar os vazamentos de gases pelas lajes que deveriam captar o
biogás (o biogás estava borbulhando em algumas partes da laje na UASB, mostrando
vazamento de biogás);

Isolar a câmara de biogás no ponto de contato da cobertura das telhas de alumínio com
a laje superior de concreto da câmara de biogás.
Armazenamento do Biogás: com a atual vazão de afluente e sendo recuperada a UASB
conforme informado anteriormente, torna-se possível a cobertura da Lagoa de Aeração
existente através de uma manta geotêxtil de forma a se formar o biodigestor, obtendo o biogás
com lodo. Depois do biogás ter sido armazenado, deve ser filtrado de maneira a atender às
especificações mínimas de qualidade para ser destinado ao sistema de queima, seja através de
queimadores ou no sistema de motorização para geração de energia elétrica. Outro elemento
importante é dar condições técnicas para que a vazão e pressão desse biogás possa manter a
geração constante, sem flutuações.
4.2 Descrição dos Equipamentos Necessários
Os seguintes equipamentos serão necessários para a purificação do biogás e manutenção
da qualidade da geração de energia:

Purificador de H2S para evitar corrosão no motor;

Medidor de vazão de biogás para monitoramento do biogás conforme exigência do
projeto pela ANEEL;

Analisador de qualidade de biogás (H2S, CH4, CO2, O2) para avaliar a qualidade e
manter as condições mínimas de funcionamento do motor. Além disso, para
monitoramento do biogás conforme exigência do projeto pela ANEEL;

Queimador automático em aço inox. Funciona como válvula de segurança em casos de
parada na geração e para evitar emissão de metanos no meio ambiente;

Sistema de eliminação da água condensada que passa pela tubulação do biogás (drenos
de água);

Conexão através de tubulações entre os sistemas de tratamento e o sistema de geração;

Válvula de segurança e sensor de pressão e temperatura;

Biodigestor com cúpula, manta geotêxtil e lagoa aeróbica, flares, dispositivo de
descarga, válvula de alívio e flanges para conexão, com tubulações diversas;
54

Bomba e tubulações para retirada do lodo.
Para o sistema de geração de energia, considerando a existência de biogás sendo gerado
pela estação de tratamento:

Motogerador a biogás para geração de energia com tratamento acústico;

Quadro de comando automático para o paralelismo entre a central geradora e a rede de
distribuição de energia;

Medidores de energia para geração e consumo. TPs e TCs para medição e relés para
proteção. Materiais elétricos de infraestrutura;

Sistema de telemetria ou similar para leitura dos dados de geração conforme exigência
do projeto pela ANEEL.
4.3 Orçamento Previsto Para Implantação
Para viabilizar a implantação de toda a infraestrutura prevista, serão necessários a
realização do investimento conforme apresentado na tabela 11 a seguir, para que a unidade de
tratamento de esgotos em Caruaru fique adequada para a otimização da produção do biogás
necessário para geração de energia.
Tabela 11: Parte do orçamento para adequação da unidade de tratamento em Caruaru.
Descrição
Biodigestor Enterrado + Cápsula
Quantidade
Preço Unitário (R$)
Total (R$)
1 unidade
165.291,53
165.291,53
3087 m²
3,85
11.884,95
4 peças
8.500,00
34.000,00
7 unidades
250,00
1.750,00
Flange 6 Polegadas
28 unidades
44,00
1.232,00
Flare (Queimador)
7 unidades
500,00
3.500,00
Lagoa Aeróbica (PVC 0,80mm)
3435,19 m²
19,96
68.566,39
21
750,00
15.750,00
Manta Geotêxtil
Dispositivo Gerador de Descarga
Válvula de Alívio
Instalação
TOTAL GERAL ORÇAMENTO
Fonte: Projeto elaborado pelo convênio CELPE – COMPESA, 2015.
301.974,87
55
Além desses materiais supracitados, precisa-se dos equipamentos para tratamento e
utilização do biogás, desde a captação até a co-geração de energia. Na tabela 12, serão descritos
os equipamentos e o orçamento previsto.
Tabela 12: Investimento dos equipamentos previstos.
Item
Quantidade
Sistema de tratamento de biogás com compressores
1
Sistema de medição de biogás
1
Analisador de biogás
1
Grupo motogerador
1
Relé de proteção microprocessado
1
Controlador automático com transferência em rampa
1
Chave selecionadora
1
Quadro de comando
1
Investimento Total
R$ 640.767,00
Fonte: Projeto elaborado pelo convênio CELPE – COMPESA, 2015.
O sistema de tratamento e filtragem do biogás com compressores conta com um filtro
químico/físico, com a finalidade de reduzir as concentrações de sulfeto de hidrogênio (H2S),
bem como eliminar eventuais partículas sólidas que circulam junto ao biogás, e reduzir a
concentração de umidade. A primeira etapa do filtro é química composta por um sistema de
lavagem e a segunda etapa é física composta por decantadores. Além disso, deverá possuir um
resfriador do biogás, dreno condensado, abertura para limpeza e filtro de H2S para biogás. Dessa
forma, certifica-se que a qualidade do biogás está comprovada para utilização como
combustível no gerador.
O sistema de medição de biogás é composto por um medidor de vazão tipo turbina para
uso com gás e um computador com indicador/totalizador e transmissor de vazão, pois este
possui entrada de compensação de temperatura e pressão. Estas variáveis devem ser
consideradas na medição de vazão dos gases em função de sua compressibilidade. A regulagem
e medição deve ser garantida através de sopradores para manter a pressão constante no
motogerador, com medidor de vazão e medidor de gás metano, e filtro de carvão ativado.
O analisador de gás baseia-se em um instrumento eletrônico com tipicamente até 20
canais de medição, configurado para atender determinada aplicação. É projetado para fornecer
informações sobre o gás e gerar alertas caso algum nível pré-configurado seja ultrapassado.
56
Esse equipamento tem as seguintes características: controle de composição, log de dados do
biogás, medição de fluxo e vazão, medição de temperatura e sistema de telemetria integrado.
O grupo motogerador deverá seguir as seguintes características: motor apropriado para
biogás, não podendo ser adaptado de diesel ou outro combustível, potência de 100 kW/h, seis
cilindros transformado para biogás (Otolizado), turbinado e interculado, refrigeração a água por
radiador, contendo um sistema de lubrificação, acoplamento monobloco, gerador síncrono,
tensão trifásica 220/380V, frequência 60 Hz, controlador por quadro de comando micro
processado, além de sensores, sistema de escape e possuir a base de aço sem carenagem.
Para proteção, controle, monitoramento e automação de alimentadores com sistema de
detecção de arco elétrico em painéis de baixa e média tensão, foi utilizado o relé digital micro
processado.
O controlador automático com transferência em rampa é utilizado para proporcionar
controle total de um grupo gerador em operação singela ou em paralelismo momentâneo com
a rede. Possui controle para dois contatores ou disjuntores, permitindo a transferência
automática de carga com transição aberta, transição fechada ou transição suave (rampa).
A chave selecionadora é utilizada no quadro de comando, permitindo a seleção de forma
visível do circuito, possuindo uma ligação de intertravamento, evitando assim a abertura do
sistema em carga. O quadro de comando, onde envolve todo o sistema de comando dos
equipamentos e indicação através de displays, deve conter as seguintes características:
indicação de potência elétrica gerada, indicação de energia elétrica em kWh, horas de
funcionamento, medidor de temperatura, nível de água, nível de óleo do equipamento e alarmes.
E o principal de todo o sistema, deverá ter a conexão com a rede elétrica, pois é o ciclo que
fecha o processo, com painel de geração distribuída ao inserir a energia elétrica gerada na rede
elétrica para ser distribuída
Além desses materiais e recursos anteriormente citados, será fundamental a utilização
de recursos não previstos no projeto e necessários para adaptação na ETE. Dentre eles estão:

2 (duas) bombas para lodo de esgoto tipo peristáltica para retirada total do lodo e
bombeamento para o biodigestor. Deverá contar as seguintes características: vazão
máxima de 4.500 l/h, pressão máxima de descarga de 16x105 Pascal, diâmetro das
mangueiras de 32mm, potência do motor de 2,5 kW, com flanges de engate das
mangueiras na sucção e recalque;

4 (duas principais e duas reservas) mangueiras de tubo flexível com diâmetro de 32mm
para sucção da bomba. O comprimento da tubulação de recalque será de 25m, 50m e
57
100m (duas de cada com diâmetro de 50mm), fabricado com o material PEAD ou
similar;

Conexões (flanges de conexão com as mangueiras de recalque e sucção – 32mm).
Quantidade: 4 (duas principais e duas reservas), fabricado de PEAD ou similar.
4.4 Dados Atuais da ETE Caruaru
Segundo informações fornecidas pela Companhia Pernambucana de Saneamento COMPESA, gerência regional de Caruaru, responsável pela ETE, estes são os dados de
18/03/2014: vazão constante em torno de 150 L/s, com a perspectiva de atingir uma vazão
média de 250 L/s após as desobstruções dos emissários, o que eventualmente, daria uma vazão
de pico de forma intermitente.
Para a DQO e a DBO, os dados medidos e coletados da ETE Caruaru variaram conforme
a tabela 13:
Tabela 13: Variações de DQO e DBO.
Medição
Local
Entrada UASB
DQO (mg O2/L) DBO (mg O2/L)
559
334
169
117
Saída da Lagoa de Polimento (Secundária)
87
45
Entrada UASB
810
728
198
143
Saída da Lagoa de Polimento (Secundária)
81
140
Entrada UASB
616
322
218
108
42
28
1ª Medição Saída do Reator UASB
2ª Medição Saída do Reator UASB
3ª Medição Saída do Reator UASB
Saída da Lagoa de Polimento (Secundária)
Fonte: COMPESA, 2015.
De acordo com as medições coletadas da DQO e DBO, deve-se utilizar os valores no
qual estão na mesma faixa, ou seja, mais próximos. Dessa forma pode-se obter a eficiência da
ETE e realizar outras análises.
Para o Potencial Hidrogeniônico (pH), os valores de entrada no UASB variaram de 7,3
a 7,5, enquanto que os de saída variaram de 7,4 a 8,0, conforme mostram os resultados na
tabela 14 a seguir:
58
Tabela 14: Variações do pH conforme medições efetuadas.
Medição
Local
Entrada UASB
1ª Medição Saída do Reator UASB
pH
7,4
7,9
Saída da Lagoa de Polimento (Secundária)
8,2
Entrada UASB
7,3
2ª Medição Saída do Reator UASB
Saída da Lagoa de Polimento (Secundária)
Entrada UASB
3ª Medição Saída do Reator UASB
Saída da Lagoa de Polimento (Secundária)
7,4
8
7,5
8
8,1
Fonte: COMPESA, 2015.
No que se refere aos óleos e graxas, somente determinados na saída da lagoa secundária,
foi obtido o valor máximo de 8,6 e o mínimo de 0 (zero), sendo mais comum valores variando
de 3,8 a 4,3.
4.5 Atendimento às Condições Atuais da ETE – Caruaru à Resolução CONAMA 430/2011
Segundo os dados fornecidos pela COMPESA, o pH, temperatura, óleos e graxas do
efluente da lagoa secundária estão dentro da conformidade pela legislação. No que se referem
à DBO5, das três análises, uma delas está fora de conformidade, pois, a DBO5 apresentou
valores de 140 mg/L.
A Resolução CONAMA 430/2011 não fornece limites para a DQO, embora este seja
um parâmetro bastante importante para determinação do grau poluidor e de produção do biogás
do efluente.
4.6 Análise do Custo Benefício
Neste tópico foram analisados o custo benefício e o retorno apenas sob o ponto de vista
financeiro do investimento utilizado para viabilização deste piloto.
Para subsidiar esta análise, foi utilizado como parâmetro o valor a ser obtido com a
geração de energia mensal; e dessa forma, obtido o tempo necessário para o retorno.
59
A ETE é tarifada pela tarifa horo-sazonal verde. Para esse presente estudo, foi analisado
a de maio/2015, como está descrito na tabela 15 abaixo, utilizando os valores finais com ICMS
e PIS/COFINS (encargos e tributos):
Tabela 15: Tarifação horo-sazonal verde no período de maio/2015.
Fonte: CELPE, 2015.
Supondo a instalação de 200 kW elétricos, a tarifa à ser paga considerando horário ponta
e horário fora de ponta será de R$ 49.189,45/mês. Pode-se perceber através da tabela 16, onde
será apresentado a fatura mensal:
Tabela 16: Fatura mensal de consumo.
PONTA
FORA DE PONTA
Potência (kW)
200
200
Dias no mês
30
30
Horas por dia
24
24
Horas/mês
66*
654**
Consumo Mensal (kWh/mês)
13200
130800
Tarifa (R$/kWh)
1,56265
0,28584
Fatura (R$/mês)
R$ 17.532,93
R$
31.779,69
Fatura Total Mensal (R$/mês)
R$
49.312,62
* Horário ponta = 22 dias com 3 horas
** Horário fora de ponta = 22 dias com 21 horas + 8 dias com 24 horas
Fonte: Autoria própria.
Utilizando a minigeração ou microgeração de 100 kW até 1 MW, supondo a instalação
de 200 kW elétricos e sendo gerado na ponta, tem-se o benefício de R$ 17.532,93/mês, obtendo
R$ 210.395,16/ano. Foi considerado o desconto de 15% na fatura pela concessionária à CELPE.
Apresentamos os principais resultados da implantação do sistema de geração de biogás
na unidade em Caruaru:
60

Potência estimada da geração: 200kW;

Investimento Inicial pela COMPESA de R$700.000,00, sendo o restante advindo da
CELPE para viabilizar o sistema e o projeto.

Geração de Energia na Ponta com possibilidade de compensar o excedente não
consumido em outra ETE da própria COMPESA, conforme resolução ANEEL nº
482/2012.

Vida útil do sistema: 20 anos.

Custos de O&M associados com motogerador, filtros, óleo, medições de gases.
4.7 Análise Qualitativa dos Benefícios
Neste tópico, a análise levou em consideração outros aspectos, tais como, inovação
tecnológica, geração sustentável e renovável de energia, redução de poluentes ambientais e
incentivo a pesquisa.
Quanto a inovação tecnológica, verificou-se que no início dos trabalhos, foi possível
agregar vários profissionais da área de pesquisa dentro do estado de Pernambuco e fora do
mesmo. Vislumbra-se que o referido projeto piloto possa servir de base para outras
implantações de sucesso em todo o estado, uma vez que agrega valor sobretudo sob o ponto de
vista ambiental e inovação tecnológica.
Os parâmetros utilizados podem comprovar a utilização de gases que seriam
normalmente lançados para atmosfera gerando poluição e sem nenhum aproveitamento
sustentável.
E por fim, é notório que servirá de incentivo a outros pesquisadores dentro da temática
estudada.
4.8 Análise do Potencial de Geração de Energia
Nesta seção estão apresentados e discutidos inicialmente a apresentação do método de
cálculo de produção de metano em reatores UASB, como o que é utilizado na ETE; e o cálculo
do potencial de geração de metano e de energia elétrica para as diversas vazões que são
utilizadas em Caruaru.
61
4.8.1 Método para Cálculo de Potencial de Geração de Biogás em Reatores UASB
O método utilizado para a análise do potencial foi a citada no livro Reatores Anaeróbios
(CHERNICHARO, 1997). Este método é baseado na DQO removida no reator UASB.
A DQO acidificada é uma parcela da DQO biodegradável que estará disponível para as
metanogênicas, pois uma parte desta é convertida em novas células bacterianas. Assim, a
quantidade de DQO biodegradável afluente que pode ser acidificada é o somatório das parcelas
convertidas em ácidos graxos voláteis e em metano (CHERNICHARO, 1997, p. 35).
A DQOcel refere-se ao substrato que é consumido pelos microrganismos fermentativos
e convertido em células. Dessa forma, nem toda a DQO estará disponível para as bactérias
metanogênicas, uma vez que parte da mesma é convertida em novas células bacterianas (Ibid.,
p. 35).
A estimativa teórica de produção de metano em função da demanda química de oxigênio
(DQO), definida por Chernicharo (1997), é dada pela equação 3:
VCH4 = DQOCH4 / K(T)
(3)
Onde,
VCH4 = volume de metano produzido, em litros;
DQOCH4 = DQO removida do reator e convertida em metano, em gDQO;
K(T) = fator de correção para temperatura de operação.
O fator de correção para temperatura é dado pela equação 4:
K(T) =
(
)
(4)
Onde,
P = pressão atmosférica (101.325 Pa);
COD = carbono orgânico dissolvido por mol de CH4 = 64 gDQO/mol;
R = constante universal dos gases = 8,31 J/mol.K;
T = temperatura de operação do reator em °C.
A produção de metano pode ser avaliada pela medição da vazão média do biogás e do
teor de metano, em porcentagem volumétrica. O teor de metano no biogás é medido por
62
cromatografia gasosa usando padrões de gases presentes no biogás, enquanto a vazão de biogás
é medida na saída do flare de cada linha de tratamento. A produção de metano REAL (medida)
é obtida por meio da equação 5:
QCH4 = A x v x N x [CH4]
(5)
Onde,
QCH4 = vazão de metano no queimador, em m³/s;
A = área do tubo na saída do queimador, em m³;
v = velocidade do biogás na saída do queimador, em m/s;
N = número de linhas;
[CH4] = fração volumétrica de metano no biogás, em %.
Para a ETE de Caruaru, da COMPESA, que utiliza a tecnologia UASB, foram
calculados os potenciais teóricos, baseados na eficiência da ETE na redução do DQO e na vazão
atual. Os dados referentes à DQO na entrada e saída do reator UASB estão ilustrados na tabela
17.
Vazão do efluente atual (Q): 150 L/s = 12.960.000 L/dia
Tabela 17: Dados da DQO da ETE - Caruaru em 2014.
AMOSTRA
18/03
23/04
26/05
18/06*
17/07
13/08
MÉDIA
Entrada UASB
559
502
616
317
810
415
580,4
Saída UASB
169
176
218
289
198
79
168,0
DQO Removido
390
326
398
28
612
336
412,4
69,8%
64,9%
64,6%
8,8%
75,6%
80,9%
71,0%
Eficiência do UASB
*Dados não utilizados por estarem muito fora da média
Fonte: COMPESA, 2015.
Para os cálculos, foi utilizado a média de cinco valores de DQO.
Entrada da ETE: DQO = 580,4 mg O2/L
Saída da ETE: DQO = 468 mg O2/L
DQOREMOVIDA = DQOENT – DQOSAÍDA = 580,4 – 168,0 = 412,4 mg O2/L = 0,4125 g/L
63
4.8.2 Produção Teórica de Metano nas CNTP
As condições normais de temperatura e pressão (CNTP), são padronizadas como
temperatura de 0°C (273 K) e pressão de 1 atm (101,325 kPa).
Para determinação do fator K, foi utilizado a equação 4.
K(0°C) = (1 atm x 64 gDQO/mol) / (0,08206 atm.L/mol.K x 273 K)
K(°C) = 2,86 g/L
Para determinar o volume de metano, foi utilizado a seguinte equação:
QCH4 = DQOCH4 x Q (L/dia) / K(T)
(6)
QCH4 = (0,4125 g/L x 12.960.000 L/dia) / (2,86 g/L)
QCH4 = 1.869.230,77 L/dia = 1.869,23 m³ de CH4/dia
4.8.3 Produção Teórica de Metano a 27 °C (média das temperaturas no UASB)
Utilizando as equações 4 e 6 descritas anteriormente, tem-se:
K(27°C) = (1 atm x 64 gDQO/mol) / (0,08206 atm.L/mol.K x 300 K)
K(27°C) = 2,60 g/L
QCH4 = (0,4125 g/L x 12.960.000 L/dia) / (2,60 g/L)
QCH4 = 2.056.153,846 L/dia = 2.056,15 m³ de CH4/dia
O poder calorífico do metano a 27°C e 1 atm é 50,00 MJ/kg e a densidade é de 0,718
kg/m³. Logo, o PCI do metano é de 35,9 MJ/m³. A energia disponível por dia é de:
Energia disponível/dia = 2.056,15 m³ x 35,9 MJ/m³
Energia disponível/dia = 73.815,785 MJ
4.8.4 Estimativa de Produção de Energia Elétrica a Partir do Biogás
Produção de Energia (PE) = Energia disponível/dia x ŋgerador
64
ŋgerador = 0,30
PE = 73.815,785 MJ x 0,30 = 22.144,736 MJ/dia
A capacidade de produção de energia em um período de tempo é expressa normalmente
em watt-hora e seus múltiplos, como, quilowatt-hora (kWh) ou megawatt-hora (MWh). Na
tabela 18, pode-se encontrar alguns fatores de conversão para energia.
Tabela 18: Fatores de conversão para energia.
De
Joule (J)
British Thermal Unit
(BTU)
Caloria (cal)
Quilowatt-hora (kWh)
Tonelada
equivalente
de petróleo (tep)
J
BTU
cal
kWh
tep
1,0
947,8 x 10-6
0,23884
277,7 x 10-9
2,388 x 10-11
1,055 x 103
1,0
252,0
293,07 x 10-6
2,52 x 10-8
4,1868
3,968 x 10-3
1,0
1,163 x 10-6
10-10
3,6 x 106
3.412,0
860,0 x 103
1,0
8,6 x 10-5
41,87 x 109
39,68 x 106
10,0 x 109
11,63 x 103
1,0
Fonte: Adaptado de Atlas de Energia Elétrica do Brasil.
Como 1 kWh = 3,6 MJ, logo temos:
PE = 6.151,32 kWh/dia
Ou seja, uma potência média estimada de 256,30 kW.
Bertulani (1999) considera o rendimento dos motores a biogás como 25% e não 30%.
Portanto, sendo conservativo na geração de energia. Neste caso, a potência gerada seria de
213,59 kW.
Segundo informações fornecidas pela COMPESA, a ETE possui vazão de pico em torno
de 250 L/s. E a capacidade total de tratamento é de 450 L/s. Com o aumento da vazão, o tempo
de detenção hidráulica fica menor, e reduz a eficiência do reator. Logo, espera-se que na vazão
de pico, este rendimento seja menor ainda. Mas como não foram obtidos dados com vazões
maiores, foram usados os dados com vazões menores.
Portanto, utilizando um rendimento de 30%, estima-se que com a vazão de 250 L/s, a
potência teórica chegue a 427,17 kW, e com a vazão de 450 L/s, a potência gerada teórica
65
chegue a 768,9 kW. Caso opte-se por um funcionamento somente no período de ponta, que são
de 3 (três) horas diárias, as potências seriam de 2.050,40 kW (150 L/s), 3.417,36 kW (250 L/s)
e 6.151,20 kW (450 L/s).
Apenas como ilustração, a vazão mínima necessária para garantir a potência de 200 kW
firme é de 117,10 L/s, que é inferior a vazão atual da ETE, o que geraria em horário de ponta
1.600 kW. Na tabela 19, será mostrado o comparativo entre as vazões e suas respectivas
potências geradas.
Tabela 19: Comparativo entre as vazões, potência gerada e potência em horário de ponta.
VAZÕES
POTÊNCIA TEÓRICA
POTÊNCIA EM HORÁRIO DE PONTA
117,10 L/s
200,00 kW
1.600,00 kW
150,00 L/s
256,30 kW
2.050,40 kW
250,00 L/s
427,17 kW
3.417,36 kW
450,00 L/s
768,90 kW
6.151,20 kW
Fonte: Autoria própria.
Considerando que toda cidade de Caruaru tivesse toda a rede de esgoto coletada e tratada
pela ETE, pode-se estimar a contribuição de esgoto máxima através da equação 7:
Q=
.
(7)
Onde,
Q = vazão em L/s;
K1 = coeficiente do dia de maior consumo;
K2 = coeficiente da hora de maior consumo;
P = população;
q = consumo per capta.
Logo, têm-se:
K1 = 1,2, K2 = 1,5, população estimada para 2014 de 342.328 habitantes (IBGE, 2014),
e considerando-se um per capta de 200 L/s.
66
Q = (1,2 x 1,5 x 342.328 x 200) / 86.400
Q = 1.426,37 L/s = 1,43 m³/s
Considerando um coeficiente de retorno água/esgoto de 0,8, tem-se: Q = 1.141,10 L/s =
1,14 m³/s. Dessa forma, utilizando os mesmos parâmetros de DQO das análises, podemos
estimar a potência máxima instalada, obtendo 1.949,76 kW, e no período de ponta 15.598,08
kW.
Utilizando o método de van Haandel e Lettinga (1994), que considera que o metano
gerado em reatores UASB pode estar dissolvido no efluente, presente no biogás coletado no
interior do separador trifásico ou, no gás residual liberado na superfície do compartimento de
decantação. Ou seja, este método de análise leva em consideração que seriam quatros opções
para degradação do material orgânico em sistemas de tratamento: (i) conversão em lodo
(anabolismo); (ii) conversão em metano (catabolismo fermentativo); (iii) conversão por
oxidação (catabolismo oxidativo) e (iv) permanência na fase líquida - descarga no efluente
(Lobato, 2011). Portanto, a massa diária de DQO no afluente tem que ser igual à soma das
massas diárias de DQO convertida em metano, lodo ou presente no efluente, mais a massa diária
de material orgânico oxidado, conforme a equação 8:
DQOafl = DQOefl + DQOlodo + DQOCH4 + DQOOxi
(8)
Onde,
DQOafl = massa diária de material orgânico afluente;
DQOefl = massa diária de material orgânico no efluente;
DQOlodo = massa diária de material orgânico convertido em lodo;
DQOCH4 = massa diária de material orgânico convertida em metano;
DQOOxi = massa diária de material orgânico oxidada.
Na figura 19, apresenta-se as rotas de conversão de matéria orgânica no sistema
anaeróbio e no sistema aeróbio. Podem-se visualizar algumas das vantagens da digestão
anaeróbia, em relação ao tratamento aeróbio, notadamente no que se refere à produção de biogás
e à baixa produção de sólidos.
67
Figura 19: Rotas de conversão de matéria orgânica - a) sistema anaeróbio e b) sistema aeróbio.
Fonte: Chernicharo, 2007.
Portanto, para os cálculos do volume real de metano gerado foram utilizados a situação
típica mostrada na figura 20, mostrada logo abaixo:
Figura 20: Rotas de conversão da matéria orgânica no sistema UASB.
Fonte: Lobato, 2011.
Segundo Lobato (2011), o percentual de recuperação do metano no biogás atingiu 39%
da DQO afluente ao reator. E de toda DQO convertida em metano, a parcela recuperada no
biogás variou de 50 a 75%, a depender das perdas mencionadas. É esperado, um rendimento do
UASB em remoção do DQO de cerca de 60%.
Desta forma, estima-se que somente 39% do metano vai ser captado pelas campânulas
do UASB, e utilizado para geração de energia, enquanto 30 a 40% do efluente será descartado.
Portanto, ao usarmos este valor de 39% de metano nas condições teóricas de produção, terão as
seguintes condições de geração de energia elétrica:
Para 150 L/s de vazão afluente = 0,39 x 256,30 kW = 99,96 kW. Portanto, se o método
de determinação de metano de Lobato (2011) estiver correto, a geração de energia firme por 24
68
horas seria de 99,96 kW x 24 h = 2.398,97 kWh. Se for decidido gerar apenas no horário de
ponta (3 horas por dia), no qual o custo de energia é mais caro (elevado), poderia ser gerado
799,66 kW.
E se na pior das hipóteses, com somente 19% do metano gerado fosse captado pelas
campânulas, para a vazão atual de 150 L/s ter-se-ia uma geração firme de 48,70 kW. Em 24
horas, seriam gerados 1.168,73 kWh, e a depender da forma de operação, como somente por 3
horas por dia, durante o horário de ponta, ainda assim seriam gerados aproximadamente 390
kW.
4.9 Desafios e Limitações do Piloto
Apresenta-se a seguir os principais desafios e limitações do projeto piloto para geração
de biogás na unidade de tratamento de esgotos na cidade de Caruaru.
Destaca-se que o sistema de biodigestão e geração de energia está dimensionado para
uma vazão afluente de esgoto mínima de 150 litros/s e desta forma a vazão afluente na ETE
Caruaru deverá atender a este requisito.
Outro aspecto importante é quanto a necessidade do conserto do sistema de captação
de gases no sistema UASB (inspeção e ajustes dos defletores de gás e das campânulas) para
possibilitar a coleta do biogás na tubulação específica na ETE, conforme informado
anteriormente.
Há ainda a necessidade de se adaptar o reator UASB através de conexão entre a fundo
do reator com o biodigestor para coleta do lodo de esgoto através da bomba de lodo. Como
também faz-se necessário realizar o direcionamento do efluente do UASB para o biodigestor
através de uma tubulação.
A subestação de energia da ETE Caruaru precisará ser adequada para comportar a
carga atual/expansão prevista pela COMPESA, adicionando-se a potência elétrica do sistema
de geração distribuída a biogás a ser instalado. Desta forma, torna-se necessária a sua
verificação e adequação.
E por fim a há necessidade também que os quadros internos de energia precisam
também ser compatibilizados para receber o sistema de geração distribuída com o sistema de
proteção e medição adequados, conforme normas CELPE.
69
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS E SUGESTÕES
Neste estudo verificou-se, que embora haja um potencial de aproveitamento decorrente
do volume elevado de esgotos gerado, são relativamente poucos ou quase nenhum os projetos
de aproveitamento do biogás em operação no Brasil, e sobretudo no estado de Pernambuco, e
em vários países do mundo, com destaque para os Estados Unidos, Canadá e alguns centros
europeus. As principais dificuldades encontradas dizem respeito à viabilidade técnica e
econômica e aos problemas operacionais do sistema, indicando que ainda há espaço para o
aperfeiçoamento tecnológico e o emprego dessa fonte de energia em escala regional.
O Brasil apresenta ainda dificuldades adicionais, a primeira dela condiz ao elevado
déficit nos serviços de saneamento básico, especialmente em relação à coleta e tratamento de
esgotos sanitários nas áreas urbanas, que hoje resulta em sérios problemas relacionados à
propagação de doenças de veiculação hídrica e à mortalidade infantil. Podemos notar essa
ausência de coleta de esgotos na própria cidade de Caruaru, onde apenas 40% da totalidade das
casas são coletadas.
Outra dificuldade diz respeito aos equipamentos necessários, que apresentam custos
elevados por serem, em sua maioria, importados, requerendo ainda recursos para sua
manutenção. Pode-se perceber também, no que diz respeito a estrutura construída para uso e
operação da ETE, pois a lagoa de aeração encontra-se em estágio de finalização da estrutura.
Verificou-se uma alta concentração de gás sulfídrico, que é corrosivo e confere um odor
muito desagradável, além de poder ser tóxico para o processo de metanogênese. Esse processo
pode estar sendo gerado pela redução do sulfato para sulfeto, que pode estar presente em
concentrações elevadas no esgoto, ocasionando a redução biológica em digestores anaeróbios,
que por sua vez é uma etapa indesejável por duas razões: o sulfato oxida o material orgânico
que deixa de ser transformado em metano e no processo forma-se o gás sulfídrico. Dessa forma,
a produção de metano encontra-se em torno de 3 a 4%, tornando-o insignificativo.
O aproveitamento energético do biogás promove a utilização ou reaproveitamento de
recursos renováveis; colabora com a não dependência de fonte de energia fóssil; aumenta a
oferta e possibilita a geração descentralizada de energia próxima aos centros de carga; promove
economia no processo de tratamento de esgoto, aumentando a viabilidade de serviços de
saneamento básico. Dessa forma, as tecnologias de aproveitamento do biogás têm-se revelado
eficazes no tratamento e na mitigação do efeito estufa, evitando custos ambientais
correspondentes ao uso de fontes convencionais de energia elétrica.
70
Diante das considerações apresentadas, é notório a relevância do presente trabalho face
aos benefícios econômicos e ambientais assinalados. Por fim, sugere-se a continuidade dos
estudos, com monitoramento da implantação dos procedimentos tecnológicos com cronograma
previsto para conclusão ainda no ano de 2015. Como também, que pesquisas sejam realizadas
para o acompanhamento da geração de energia através do biogás com a comparação entre as
vazões afluentes atuais e as vazões futuras previstas na unidade foco deste estudo decorrente da
ampliação da cobertura de esgotamento sanitário já vislumbradas, através de um outro
programa denominado PSA, que tem como objetivo a universalização da cobertura e tratamento
de efluentes domésticos em 100% da cidade de Caruaru.
71
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