23º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

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1 II-202 BALANÇO ENERGÉTICO REFERENTE AO BIOGÁS GERADO EM REATORES UASB OBJETIVANDO AVALIAR A HIGIENIZAÇÃO TÉRMICA AUTO-SUSTENTÁVEL DO LODO ANAERÓBIO EXCEDENTE Euaro Sales Machao Borges Engenheiro Civil. Doutor em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Híricos pela UFMG. Professor a Escola Agrotécnica Feeral e Barbacena. Valéria Martins Goinho Bióloga. Mestre em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Híricos pela UFMG. Professora o Instituto e Eucação Superior e Manhuaçu - MG. Carlos Augusto De Lemos Chernicharo (1) Engenheiro Civil e Sanitarista. Doutor em Engenharia Ambiental pela Universiae e Newcaste upon Tyne UK. Professor Ajunto o Departamento e Engenharia Sanitária e Ambiental UFMG. Enereço (1) : Rua Gonçalves Dias, No 1846 apto 901, bairro Loures, CEP: , Belo Horizonte. Minas Gerais. Fax: (31) , Tel.: (31) , calemos@esa.ufmg.br RESUMO O presente trabalho objetiva avaliar, a partir e um sistema simplificao e tratamento, o emprego autosustentável o biogás gerao em reatores UASB, como fonte e energia calorífica para higienização térmica o loo anaeróbio exceente, por meio e balanço energético, apresentao aina resultaos experimentais referentes à higienização o loo, os quais almejam reforçar/complementar a avaliação a autosustentabiliae. O aparato experimental, em escala piloto, constituiu-se e reator UASB + reservatório e biogás + reator térmico. Ovos e Ascaris lumbricoies foram utilizaos como inicaores a eficiência a higienização o loo. O trabalho mostra-se e potencial relevância para o Brasil e para os países em esenvolvimento, uma vez que aponta para uma solução simplificaa e totalmente auto-sustentável em relação à higienização e loos, ressaltano, conforme emonstrao tanto a partir e cálculos teóricos quanto por meio os testes realizaos, que o emprego o biogás gerao em reatores UASB é mais que suficiente para proporcionar a higienização térmica e too o loo exceente prouzio neste sistema e tratamento e esgotos. PALAVRAS-CHAVE: Auto-sustentabiliae, balanço energético, biogás, higienização térmica, loo anaeróbio. INTRODUÇÃO/OBJETIVOS Atualmente, os ovos e helmintos têm sio empregaos e referenciaos como bons inicaores e contaminação e loos provenientes e estação e tratamento e esgotos, por microrganismos patogênicos. Isso porque são altamente resistentes a conições ambientais aversas e pela elevaa frequência com que são encontraos nas fezes e seres humanos, estacano aina nestes microrganismos o seu alto poer infectivo, visto que um ovo viável poe ser suficiente para contaminar o hospeeiro (ANDREOLI et al. 2001). A legislação ambiental internacional, no que se refere ao gerenciamento e loo, vem se esenvolveno rapiamente nos últimos anos, estano caa vez mais rigorosa e restritiva. Porém, embora mais exigentes, as agências ambientais têm incentivao o emprego agrícola o loo, eveno para isso apresentar caraterísticas aequaas à esta finaliae. Uma estas exigências trata-se a higienização o loo, a qual poe ser obtia empregano-se mecanismos químicos, físicos e biológicos, combinaos ou isolaamente. Em função este novo cenário, que vem se fazeno caa vez mais forte, novas tecnologias e tratamento, mais completas e eficientes, são necessárias. Algumas estas novas tecnologias vêm ganhano espaço a caa ano, particularmente as que se baseiam no tratamento o loo por meio e vias térmicas (FITZPATRICK, 1998; PANTER, 1998, WEISZ et al., 2000). Estas, no entanto, na sua grane maioria, exigem investimentos elevaos, além e serem altamente mecanizaas. Seno assim, na busca o emprego e tais princípios e tratamento, é necessário que se esenvolvam tecnologias que se aequem à realiae os países em esenvolvimento, para que se possa enfrentar e maneira aequaa a problemática o loo nestas localiaes. ABES - Associação Brasileira e Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 GONÇALVES (2000) ressalta a potencialiae o emprego o biogás gerao em reatores anaeróbios, para o tratamento térmico e loo exceente, estacano que eterminaas configurações e sistemas e tratamento e esgotos, associano reatores aeróbios e anaeróbios, prouzem cerca e 40% menos loo exceente que sistemas e Loos Ativaos, gerano o obro e biogás. PAGLIUSO et al. (2002) avaliaram o potencial e recuperação e energia o sistema e tratamento e esgotos e Piracicaba, composto por reatores anaeróbios seguios e Loos Ativaos, cuja vazão e operação à época era e 200 L/s, e concluíram que o metano gerao seria mais que suficiente para atener à toa a emana e energia elétrica a ETE, poeno o exceente ser utilizao para a secagem e too o loo e escarte. Nesse contexto, o presente trabalho objetiva avaliar, a partir e um sistema simplificao e tratamento, o emprego auto-sustentável o biogás gerao em reatores UASB, como fonte e energia calorífica para higienização térmica o loo anaeróbio exceente, por meio e balanço energético, apresentao aina resultaos experimentais referentes à higienização o loo, os quais almejam reforçar/complementar a avaliação a auto-sustentabiliae. MATERIAL E MÉTODOS Aparato experimental O trabalho experimental foi esenvolvio nos laboratórios o Departamento e Engenharia Sanitária e Ambiental a Escola e Engenharia a UFMG, seno o aparato, em escala piloto, constituío e um reator UASB e 416 L, ois reservatórios e biogás, cuja capaciae total e reservação era e aproximaamente e 220 L/, e um reator térmico e 5 L. Apresenta-se, na figura 1, a isposição o aparato experimental. Retorno o loo tratao termicamente Loo exceente Figura 1 Disposição esquemática o aparato experimental Operação as uniaes experimentais O biogás prouzio foi armazenao, para posterior queima no momento o tratamento térmico o loo. Este armazenamento permitiu a aplicação e pressão no biogás, no ecorrer o processo e queima, o que propiciou alcançar temperaturas mais elevaas em espaços e tempo mais curtos, teno como conseqüência menores períoos e tratamento o loo. As pressões empregaas no ecorrer os ensaios situaram-se entre 5,5 e 6,5 cm e coluna água, teno o tratamento térmico apresentao capaciae e se esenvolver por um períoo e 7,0 horas. ABES - Associação Brasileira e Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Objetivano-se aina avaliar a auto-sustentabiliae o sistema, empregou-se a seguinte rotina operacional: 1. Armazenou-se o volume e biogás prouzio em 24 horas; 2. Descartou-se para o reator térmico o volume e loo também equivalente à proução e um ia; 3. Aplicou-se pressão no reservatório e biogás, no ecorrer o processo e queima o biogás; 4. No ecorrer o tratamento térmico, coletaram-se as amostras e loo para análise. Análises parasitológicas Objetivano-se avaliar a eficiência a higienização o loo por via térmica, a partir a queima o biogás, optou-se por utilizar ovos e helmintos, especialmente ovos e Ascaris lumbricoies, como organismo inicaor, por estes serem altamente resistentes a conições ambientais aversas e pela elevaa freqüência com que são encontraos na população. Para obter-se uma quantiae representativa e ovos e Ascaris no loo a ser analisao, foi necessária uma etapa e trabalho bastante ampla, que incluiu ese a obtenção e fêmeas aultas e A. lumbricoies, retiraas e fezes e crianças infectaas, até a extração os ovos o útero estes vermes. Estes foram então centrifugaos, estocaos em tubos e preservaos a 4 C. Após realização os ensaios e coleta as amostras e loo, estas eram então processaas em laboratório, empregano-se o Métoo e Meyer (MEYER et al., 1978) para a recuperação os ovos e Ascaris lumbricoies, verificano-se, posteriormente, a viabiliae os mesmos, por meio e incubação. Após o término o períoo e incubação (28 ias), à temperatura constante e 28 0 C, proceia-se a leitura as câmaras (Segwick Rafter), em triplicata, verificano-se o percentual e ovos viáveis e não viáveis, para caa amostra coletaa. No ecorrer o trabalho, consierou-se ovo viável aquele que atingiu o estágio final e esenvolvimento, com a formação e larva, e ovo não viável aquele que atingiu qualquer outro estágio e esenvolvimento, mas não se iferenciou em larva após os 28 ias e incubação, períoo este que corresponia ao tempo ótimo efinio para a iferenciação os ovos até o estágio e larva móvel. Protocolo os testes e higienização Para realização os ensaios, inoculou-se uma solução e ovos e Ascaris lumbricoies no loo a ser tratao termicamente, almejano-se, a partir o teor estimao e sólios este, uma concentração representativa o número e ovos a serem recuperaos. Após a contaminação, homogeneização e coleta e uma primeira amostra (tempo zero e aquecimento - temperatura ambiente), iniciava-se o aquecimento o loo, no ecorrer o qual as emais amostras eram coletaas, em intervalos efinios e tempo, conforme apresentao na tabela 1, seno monitoraos, sem se exercer nenhuma intervenção, o tempo e a temperatura no ecorrer e too o processo e tratamento térmico o loo. Tabela 1 Temperaturas e tempos e aquecimento referentes ao processo e higienização o loo Amostras coletaas Tempo e aquecimento (horas) Temperatura no instante a coleta ( 0 C) Balanço energético o sistema Avaliação a proução iária e loo: Seguno CHERNICHARO (1997), a proução teórica iária e loo no sistema poe ser avaliaa a seguinte forma: L = S S Q Equação (1) removia ( 0 ) mé. na qual: L removia = carga méia e DQO removia no sistema (kgdqo removia /); Q mé = vazão méia e esgoto afluente (m 3 /); S 0 = concentração e DQOtotal afluente (kgdqo/m 3 ); S = concentração e DQO filtraa efluente (kgdqo/m 3 ). ABES - Associação Brasileira e Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 P = Y L loo obs removia one: P loo = proução e sólios no sistema (kgst/); Y obs = coeficiente e proução e sólios no sistema (kgsvt/kgdqo removia ). Ploo Vloo = γ C ( ) Equação (2) Equação (3) one: V loo = proução e loo (m 3 /); γ = ensiae o loo = 1020 kg/m 3 (CHERNICHARO, 1997); C = concentração o loo (%). Proução e emana teóricas e energia calorífica: Seguno informações obtias em van HAANDEL e LETTINGA (1994), o volume e 1,0 mol e metano, à pressão atmosférica, poe ser calculao a seguinte forma: V 22,4 Equação (4) CH = ( ) T one: V CH4 = volume equivalente a 1,0 mol e metano (L); T = temperatura ( 0 K). Aicionalmente, conforme KUO (1996), a reação e combustão o metano é uma reação exotérmica, liberano 191,755 kcal/mol e energia, nas conições parões e 25 0 C e 1 atmosfera. Visto isso, o potencial teórico e geração e energia calorífica poe ser avaliao a seguinte forma, a partir a proução real e metano: E p Q = V CH 4 CH 4 191,755 Equação (5) one: E p = Energia calorífica teórica prouzia (kcal/). Q CH4 = proução e metano (L/); Consierano, tal como MENDONÇA e CAMPOS (2001), o calor específico o loo igual ao a água (c = 1cal/g. 0 C), tem-se a seguinte emana e energia calorífica: E = m c ΔT Equação (6) one: E = emana e energia calorífica (kcal/); m = massa e loo (g); c = calor específico o loo (cal/g. 0 C); ΔT = graiente e temperatura ( 0 C). RESULTADOS E DISCUSSÃO Balanço energético o sistema Avaliação a proução iária e loo: Seno, seguno PONTES (2003), a partir e um trabalho experimental realizao no mesmo aparato, a vazão méia afluente ao sistema e 1,776 m 3 /, a DQO méia afluente em torno e 500 mg/l (0,50 kgdqo/m 3 ), a ABES - Associação Brasileira e Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 DQO filtraa méia efluente em torno e 70 mg/l (0,07kgDQO/m 3 ) e o coeficiente e proução e sólios o sistema (Y obs ) igual a 0,12kgSVT/kgDQO removia, tem-se, com base nas equações (1), (2) e (3): kgdqoremovia Lremovia = ( 0,50 0,07) 1,776 = 0, 76 kgsvt P loo = 0,12 0,76 = 0, 091 Teno sio o percentual méio e SVT em torno e 63%, ter-se-ia a seguinte proução e loo, em termos e sólios totais: P 0,091 kgst = = 0, 144 loo 0,63 Seqüencialmente, uma vez verificao que a concentração méia o loo exceente no ponto e escarte foi e 4,0 %, o volume teórico e loo gerao iariamente seria e: 3 0,144 m L V loo = = 0,0035 = 3, 5 ( ,04) Proução e emana teóricas e energia calorífica: Teno sio a proução méia e biogás cerca e 200 L/, e o percentual e metano no biogás, seguno PONTES (2003), a partir e trabalho experimental realizao no mesmo aparato, em torno e 77 %, tem-se: L Q = 200 0,77 = 154 CH 4 Visto que a temperatura méia ambiente o loo foi e 23 0 C, tem-se, com base nas equações (4) e (5), o seguinte potencial calorífico iário, a partir a proução iária real e biogás o sistema: ( ) V 22,4 + 24, 3 CH 4 = = E = 191,755 = 1215 p 24,3 kcal L mol Consierano-se uma pera no processo e aquecimento e 70 % a energia calorífica teoricamente geraa a partir a proução real e biogás, tem-se: kcal E p = ,3 = 364, 5 Uma vez que o volume teórico e loo a ser tratao termicamente e 3,5 L/, e teno sio verificao nos ensaios as temperaturas méias, ambiente e máxima, e 23 0 C e 69 0 C, respectivamente, tem-se a seguinte emana e energia calorífica, para se aquecer o referio volume e loo, frente ao referio graiente e temperatura: kcal E = ( 3,5 1020) 1 ( 69 23) = 164 Comparano-se a energia calorífica teoricamente prouzia (E p ) e a emana e energia calorífica (E ), verifica-se que Ep > E, concluino-se assim que o biogás gerao no sistema é teoricamente suficiente para tratar termicamente too o loo exceente, entro as conições analisaas. Mesmo teno sio consierao, a partir os cálculos, uma baixa eficiência o sistema e aquecimento (30%), percebe-se, aina assim, que, teoricamente, a energia calorífica o biogás prouzio em 24 horas seria mais que suficiente para aquecer o volume teórico e loo prouzio neste mesmo períoo, frente ao graiente e ABES - Associação Brasileira e Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 temperatura verificao nos ensaios. Aicionalmente, embora tenha sio empregao nos ensaios um volume e loo superior ao inicao pelos cálculos teóricos (V ensaiao = 4,3 L, V teórico = 3,5 L), o que emanaria um maior consumo e energia para se atingir a temperatura máxima observaa, verificou-se, nos ensaios, conforme apresentao na tabela 2 e na figura 2 a seguir, que, realmente, o biogás prouzio foi mais que suficiente para que se alcançasse a total higienização o loo. Destaca-se, aina, conforme apresentao na tabela 1, que o tratamento térmico foi esenvolvio no ecorrer e 4,0 horas, embora a proução iária fosse suficiente para manter o loo sob tratamento térmico por 7,0 horas, teno sio atingia ao final este períoo e 7,0 horas a temperatura méia máxima e 74 0 C, conforme apresentao em BORGES (2004). Tais aos tornam aina mais favorável o balanço térmico, frente à isponibiliae e energia calorífica, reforçano assim a inicação e auto-sustentabiliae o sistema proposto. Testes e higienização o loo Partino-se a hipótese, com base em resultaos anteriores (BORGES, 2004), e que não seriam necessárias 7,0 horas e tratamento térmico o loo para alcançar-se a higienização este, eciiu-se por se coletar as amostras em um intervalo e tempo máximo e 4,0 horas. Almejava-se verificar a partir estes ensaios, cujos resultaos são apresentaos na tabela 2 e na figura 2 a seguir, além a higienização, a capaciae e autosustentabiliae o sistema, a partir a queima o biogás gerao em reatores UASB, empregano-se para isso o biogás prouzio em 24 horas, para higienizar o loo também equivalente à proução e 24 horas. Tabela 2 - Estatística escritiva referente às análises e ovos e Ascaris lumbricoies Parâmetros Ovos viáveis (N 0 ovos/gms) Ovos Totais (N 0 ovos/gms) Tempo e exposição (horas) Temperatura ( 0 C) N 0 amostras Méia Máximo Mínimo Desvio Parão 89,5 0,8 0,0 0,0 126,9 155,3 47,0 117,9 Eficiência e inativação (%) ) No e ovos (ovos/gms Tempo e aquecimento (horas) No total ovos No ovos viáveis temperatura temperatura (oc) Figura 2 Variação o número e ovos e helmintos (valores méios) Analisano-se os resultaos apresentaos na tabela 2 e na figura 2, verifica-se, com relação aos ovos viáveis, após 2,0 horas e tratamento térmico, quano a temperatura já havia alcançao 54 0 C, a total higienização o loo. Com relação ao número total e ovos, percebe-se também a constante tenência e ecréscimo na recuperação estes, com o passar o tempo e aquecimento. Tais resultaos sugerem, além a inviabilização, a esintegração os ovos com o passar o tempo e aquecimento, os quais, por se esintegrarem, não seriam recuperaos, para posterior quantificação, a partir o métoo empregao. Tais resultaos apontam, aina, para a auto-suficiência o sistema, também a partir o aparato experimental, uma vez que empregou-se como fonte e energia somente o biogás prouzio em 24 horas, para higienizar o ABES - Associação Brasileira e Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 loo também prouzio em 24 horas. O volume méio e loo aquecio foi e 4,3 L, a uma concentração méia e 4,0 %, seno que o volume e biogás empregao situou-se em torno e 200L (BORGES, 2004). Tais resultaos confirmam a auto-sustentabiliae o sistema, com relação à possibiliae e higienização térmica o loo exceente, empregano-se como fonte e energia calorífica somente o biogás prouzio pelo reator UASB, reafirmano assim os resultaos teóricos encontraos no balanço térmico, apresentao anteriormente. CONCLUSÕES Com relação ao aparato experimental, conclui-se que o sistema simplificao empregao, composto e reator UASB + reservatório e biogás + reator térmico, apresenta-se como uma promissora alternativa para o emprego o biogás gerao em sistemas anaeróbios e tratamento e esgotos, como também para o tratamento e loos exceentes, mostrano-se e potencial relevância para o Brasil e para os países em esenvolvimento. A partir o balanço térmico esenvolvio, e também os ensaios realizaos, conclui-se que o biogás gerao em sistemas anaeróbios e tratamento e esgotos, particularmente reatores UASB, é mais que suficiente para se alcançar a higienização térmica e too o loo exceente prouzio neste sistema e tratamento e esgotos, seno esta uma solução totalmente auto-sustentável em relação à higienização, haveno aina um exceente e biogás, portanto e energia, que poe ser empregao em outra finaliae. Conclui-se aina que a relação temperatura/tempo e exposição permite combinações variaas para a eliminação/inativação e microrganismos patogênicos, em especial ovos e Ascaris lumbricoies, conforme verificao na literatura específica e nos resultaos apresentaos. Também, os resultaos referentes ao número total e ovos inicam não só a inativação os ovos viáveis, mas também uma provável esintegração térmica estes. AGRADECIMENTOS Os autores agraecem o suporte recebio, às seguintes instituições: Companhia e Saneamento e Minas Gerais COPASA; Conselho Nacional e Desenvolvimento Científico e Tecnológico CNPq; Coorenação e Aperfeiçoamento e Pessoal e Nível Superior CAPES; Financiaora e Estuos e Projetos FINEP (PROSAB); Funação e Amparo à Pesquisa e Minas Gerais FAPEMIG. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ANDREOLI, C. V.; VON SPERLING, M.; FERNANDES, F. Princípios o tratamento biológico e águas resiuárias; Loo e esgotos: tratamento e isposição final. 1.e. Belo Horizonte: Departamento e Engenharia Sanitária e Ambiental UFMG, Companhia e Saneamento o Paraná, p. 2. BORGES, E. S. M. Tratamento térmico e loo anaeróbio a partir a queima o biogás prouzio em reator UASB objetivano a higienização e a melhoria a bioisponibiliae e bioegraabiliae a fração orgânica f. Tese (Doutorao em Saneamento) Escola e Engenharia, Universiae Feeral e Minas Gerais, Belo Horizonte. 3. CHERNICHARO, C. A. L. Princípios o Tratamento Biológico e Águas Resiuárias; Reatores Anaeróbios. 1.e. Belo Horizonte: Departamento e Engenharia Sanitária e Ambiental UFMG, V p. 4. FITZPATRICK, J. Sluge processing by anaerobic igestion an superheate steam rying. Wat. Res., Great Britain, v.32, n.10, p , GONÇALVES R. F. Prouzir Loos Classe A nas novas Estações e Tratamento e Esgotos Sanitários Brasileiras. In: SEMINÁRIO NACIONAL DE MICROBIOLOGIA APLICADA AO SANEAMENTO, 1., 2000, Vitória. Anais... Vitória, p KUO, K. K. Principles of combustion. Singapore: Wiley-Interscience Publication, p. ABES - Associação Brasileira e Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 7. MENDONÇA, L. C., CAMPOS, J. R. Removal of helminth eggs an fecal coliforms by anaerobic thermophilic sluge igestion. In: WORLD CONGRESS ANAEROBIC DIGESTION, 9., 2001, Antwerpen. Anaerobic Conversion for Sustainability. Proceeings - Part 1, Antwerpen: 2001, p MEYER,K. B.; MILLER,K. D.; KANESHIRO, E.S. Recovery of Ascaris eggs from sluge. The Journal of Parasitology, v. 64, n 2, April, PAGLIUSO, J. D.; PASSIG, F. H.; VILLELA L. C. H. Oour treatment an energy recovery in anaerobic sewage treatment plants. In: VII TALLER Y SIMPOSIO LATINOAMERICANO SOBRE DIGESTIÓN ANAEROBIA, 7, 2002, Yucatán (México). Memorias. Trabajos Orales. Yucatán: IWA, p PANTER, K. Cambi thermal hyrolysis Getting the bugs out of igestion an ewatering. In: EUROPEAN BIOSOLIDS AND ORGANIC RESIDUALS CONFERENCE, 3, 1998, Wakefiel - Englan. 11. PONTES, P. P. Reatores UASB aplicaos ao tratamento combinao e esgotos sanitários e loo exceente e filtro biológico percolaor f. Tese (Doutorao em Saneamento) Escola e Engenharia, Universiae Feeral e Minas Gerais, Belo Horizonte. 12. van HAANDEL, A. C. & LETTINGA, G. Tratamento anaeróbio e esgotos; Um manual para regiões e clima quente. Campina Grane: Fotolitos e Impressão Gráfica OFF-SET, WEISZ, N. et al. Sluge isintegration with thermal hyrolysis Cases from Norway, Denmark, an Unite Kingom. In: 1st WORLD WATER CONGRESS OF THE INTERNATIONAL WATER ASSOCIATION (IWA), 1, 2000, Paris. Conference Preprint. Book 4. Paris: IWA, 2000, p ABES - Associação Brasileira e Engenharia Sanitária e Ambiental 8