Esgotamento Sanitário - Tecnologias e Inovações

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1 IV Seminário Internacional de Engenharia de Saúde Pública - Desenvolvimento sustentável, demandas contemporâneas e responsabilidade socioambiental - Esgotamento Sanitário - Tecnologias e Inovações Cooperação entre Universidade e Empresa de Saneamento na Perspectiva de Implantação das Inovações Tecnológicas Março de 2013 Carlos Augusto de Lemos Chernicharo Departamento de Engenharia Carlos Sanitária Augusto e Ambiental de Lemos Chernicharo Universidade Federal de Minas Gerais

2 Sumário Tratamento de Esgotos no Brasil: Breve Contextualização Pesquisa e desenvolvimento da tecnologia anaeróbia no Brasil Desafios e implantação de inovações tecnológicas

3 Tratamento de Esgoto no Brasil: Breve contextualização

4 Número de ETEs Principais processos de tratamento de esgoto empregados, por porte (amostra em 3 estados) ETEs < 100 L/s ETEs > 100 L/s Dec. Prim. Dec. Prim. + Disp. Ocean. 2 Trat. Prel. + Disp. Ocean Lagoas Lodos Ativados UASB + Póstratamento Processo de tratamento empregado

5 Tecnologia UASB Tecnologia consolidada Apresenta diversas vantagens e grande aplicação, todavia algumas limitações ainda existem Uma etapa de pós-tratamento é usualmente necessária visando a: Complementação de remoção de matéria orgânica Remoção de nutrientes Remoção de patógenos

6 Pesquisa e Desenvolvimento: O legado deixado pelo PROSAB

7 O período PROSAB: Formação de redes cooperativas de pesquisa: - Envolvimento de diversas instituições de pesquisa em todo o Brasil (Universidades, Centros de Pesquisa, Companhias de Saneamento) - Participação de instituições consolidadas e instituições emergentes - Reuniões sistemáticas de acompanhamento e avaliação - Criação de diversos centros de pesquisa aplicada em todo o Brasil - Pesquisas focadas no desenvolvimento e aprimoramento de tecnologias simplificadas de tratamento de esgoto Legado: - Disponibilização de diversos produtos, a exemplo de livros, vídeos e coletâneas de artigos (download gratuito no site da FINEP) - Criação de diversos centros de pesquisa aplicada no Brasil, a maioria funcionando como plataformas permanentes de pesquisa e demonstração - Contribuição efetiva para a revisão da Norma Brasileira de Tratamento de Esgoto - Influência decisiva no modelo tecnológico brasileiro para tratamento de esgoto

8 Centro de Pesquisa e Treinamento em Saneamento - CePTS Localização: - ETE Arrudas Belo Horizonte Minas Gerais Brasil (Capacidade: 4.5 m 3 /s) Principais características: - Estações experimentais de tratamento de esgoto (escalas piloto e demonstração), todas alimentadas com esgoto real, tomado da ETE Arrudas - Mini-redes de distribuição de água, de coleta de esgoto e de águas pluviais - Unidades administrativas e de controle Objetivos: - Pesquisa, demonstração e treinamento em saneamento (água e esgoto) - Atividades focadas principalmente em pesquisa aplicada - Desenvolvimento e otimização de configurações de reatores - Determinação e otimização de critérios de projeto e de operação

9 Vista das unidades experimentais

10 Vista das unidades experimentais

11 Vista das unidades experimentais

12 Sistema compato reator UASB + FBP Configuração: Reator UASB + Filtro Biológico Percolador População de projeto: 500 habitantes Vazão de projeto: 3,2 m 3 /h

13 Pós-tratamento: Filtros Biológicos Percoladores Configuração: Filtros Percoladores com diferentes tipos de meio suporte População de projeto: 400 habitantes Vazão de projeto: 2,6 m 3 /h Compartimentos individualizados

14 Desafios e implantação de inovações tecnológicas

15 Reatores UASB: desafios e inovações Escuma - Corrosão- Sistema alimentação - Separador trifásico - Reator Biogás e Gás residual - Emissão de odor - Emissão de GEE - Recuperação de energia - Corrosão - Toxicidade - Emissão de odor - Variação da vazão afluente - Passagem de detritos - Passagem de óleo e graxa Pré-tratamento e elevatória chegada Efluente líquido Lodo - Carbono residual - Nutrientes - Patógenos - Microcontaminantes - Emissão de odor - Emissão de GEE - Recuperação nutrientes - Higienização - Presença detritos -Desidratação - Recuperação de energia

16 Sistemas anaeróbios: desafios e inovações Controle operacional Emissões de metano Emissões de H 2 S Recuperação de energia Remoção de amônia

17 Desafio 1: Controle operacional: gerenciamento do lodo

18 ETE Laboreaux Itabira Fluxograma do processo de tratamento

19 Esquema geral da ETE Laboreaux Legenda Tratamento preliminar Tratamento biológico (Reatores UASB) Pós-tratamento (Filtros Biológicos Percoladores) Tratamento do lodo e da escuma (desidratação)

20 Vista Aérea da ETE

21 Vazão média diária (L/s) 120 Hidrograma das vazões médias diárias afluentes à ETE Dias operacionais (dias) Vazão média afluente

22 Fases operacionais da ETE (*) decantadores em manutenção

23 Massa ST (kg) SST (mg/l) Massa ST (kg) SST (mg/l) Relação entre massa de lodo e concentração de SST no efluente do reator ST SST Dias operacionais ST SST Dias operacionais

24 Concentração DBO (mg/l) Série temporal - DBO Dias operacionais (d) Esg. Bruto Esg. Bruto + Lodo retorno Efl. UASB Efl. FBP Efl. final Padrão 6 por Média Móvel (Esg. Bruto) 6 por Média Móvel (Efl. UASB)

25 Concentração de DBO (mg/l) Concentração de DBO (mg/l) Gráficos Box Plot dos resultados de DBO Períodos operacionais 7 e EB EB + Lodo Retorno Efl. UASB Efl. FBP Efl. Final 0 EB EB + Lodo Retorno Efl. UASB Efl. FBP Efl. Final Período 7 Período 8 (sem retorno de lodo) (com retorno de lodo)

26 Concentração de SST (mg/l) Concentração de SST (mg/l) Gráficos Box Plot dos resultados de SST Períodos operacionais 7 e EB EB + Lodo Retorno Efl. UASB Efl. FBP Efl. Final 0 EB EB + Lodo Retorno Efl. UASB Efl. FBP Efl. Final Período 7 Período 8 (sem retorno de lodo) (com retorno de lodo)

27 Pontos-chave para o gerenciamento do lodo: Manutenção da massa de lodo no interior do reator UASB entre a massa mínima e a massa máxima. Necessidade de descartes mais frequentes; Favorecer a manutenção da camada mais densa de lodo (leito) no fundo do reator, pois esta melhora as condições de retenção, adensamento e digestão do lodo aeróbio de retorno (não praticar descarte de lodo apenas do fundo do reator); Bombeamento do lodo aeróbio de retorno de forma contínua ou semi-contínua, ao longo de todo o dia. O bombeamento em bateladas dificulta a retenção do lodo no interior do reator UASB e induz a saída dos sólidos mais finos.

28 Desafio 2: Redução das emissões metano

29 Emissões de metano Elevadas perdas de metano dissolvido no efluente líquido

30 Estimativas das perdas de metano, de acordo com diferentes cenários Utilizada na redução de sulfato 7% Perda como metano na fase gasosa 3% Conversão em biomassa 13% DQO solúvel no efluente 40% Utilizada na redução de sulfato 5% Perda como metano na fase gasosa 3% Conversão em biomassa 14% DQO solúvel no efluente 35% Perda como metano dissolvido 17% Conversão em metano recuperado no biogás 19% Perda como metano dissolvido 13% Conversão em metano recuperado no biogás 29% Pior cenário Utilizada na redução de sulfato 3% Conversão em biomassa 15% DQO solúvel no efluente 30% Cenário típico Perda como metano na fase gasosa 2% Perda como metano dissolvido 11% Conversão em metano recuperado no biogás 39% Melhor cenário 30

31 Produção esperada de biogás (m 3.d -1 ) Produção esperada de biogás (m 3.d -1 ) Aderência das medições de biogás em campo às faixas estimadas pelo modelo ETE Laboreaux Vazão contribuinte de esgoto (L.s -1 ) ETE Onça Vazão contribuinte de esgoto (L.s -1 ) 31

32 Relações unitárias de produção de metano, de biogás e de energia em reatores UASB tratando esgoto doméstico Relação unitária Volume unitário de CH 4 produzido Volume unitário de biogás produzido Potencial energético unitário Unidade Pior situação Situação típica Melhor situação Máx. Mín. Média Máx. Mín. Média Máx. Mín. Média NL.hab -1.dia -1 9,9 3,6 6,8 13,3 7,4 10,2 16,7 11,1 13,7 NL.m -3 esgoto 81,7 16,7 42,2 103,7 34,8 64,2 134,6 51,8 81,3 NL.kgDQO -1 remov 154,1 66,0 113,4 185,8 124,2 158,3 219,1 173,9 196,0 NL.hab -1.dia -1 14,1 5,2 9,8 17,7 9,9 13,6 20,8 13,9 17,1 NL.m -3 esgoto 116,7 23,8 60,3 138,3 46,4 85,6 168,3 64,8 101,6 NL.kgDQO -1 remov 220,1 94,3 162,0 247,8 165,6 211,1 273,9 217,4 245,0 MJ.m -3 esgoto 2,9 0,6 1,5 3,7 1,2 2,3 4,8 1,9 2,9 MJ.kgDQO -1 remov 5,5 2,4 4,1 6,7 4,5 5,7 7,9 6,2 7,0 MJ.Nm -3 biogás 25,1 25,1 25,1 26,9 26,9 26,9 28,7 28,7 28,7 MJ.hab -1.dia -1 0,4 0,1 0,2 0,5 0,3 0,4 0,6 0,4 0,5 Medições e simulações confirmam as elevadas perdas de metano e de potencial energético 32

33 Gases residuais do tratamento preliminar e elevatória de chegada Efluente contendo sulfeto e metano Emissões de metano: possível solução Biogás Flare Gases residuais do decantador Exaustor Biofiltro para remoção combinada de sulfeto e metano Unidade de dissipação Efluente Desgaseificado

34 Emissões de metano: possível solução Metano removido devido a turbulência

35 Desafio 3: Controle das emissões H 2 S

36 Emissões de H 2 S Principais problemas: Corrosão e odor Corrosão resultante H 2 S + O 2 H 2 SO 4 (pela ação microbiana) H 2 S Absorção de O 2 na superfície H 2 S disponível na atmosfera se a produção sulfetos excede a absorção de O 2 H 2 S Absorção de O 2 na superfície O 2 H 2 S Nível d água O 2 H 2 S H 2 S H 2 S S - + 2H + H 2 S Geração de sulfetos pela ação microbiana SO 4 S -

37 Corrosão em estruturas de aço IV Seminário Internacional de Engenharia de Saúde Pública Esgotamento Sanitário: Tecnologias e Inovações Prof. Carlos Chernicharo

38 Corrosão em estruturas de concreto Exposição da armadura da laje

39 Corrosão em estruturas de concreto Antes da limpeza Depois da limpeza com jato de água

40 Gases residuais do tratamento preliminar e elevatória de chegada Efluente contendo sulfeto e metano Emissões de H 2 S: possível solução Biogás Flare Gases residuais do decantador Exaustor Biofiltro para remoção combinada de sulfeto e metano Unidade de dissipação Efluente Desgaseificado

41 Emissões de H 2 S: possível solução Liberação do sulfeto dissolvido no efluente líquido > 80% remoção devido a turbulência

42 Emissões de H 2 S: possível solução Remoção biológica de sulfeto de hidrogênio visando a recuperação de enxofre elementar

43 Microrganismos encontrados na escuma utilizada como inóculo nos biorreatores Microrganismo Chlorobium ferrooxidans Thiomonas sp. Thiorhodovibrio sp Thiomonas cuprina Lamprocystis purpurea Thiobacillus sp. Função Oxidação biológica de sulfeto Oxidação biológica de sulfeto,estritamente aeróbias. Oxidação biológica de sulfeto Oxidação biológica de sulfeto e tiossulfato, estritamente aeróbia. Oxidação biológica de sulfeto e tiossulfato,sob condições microóxicas no escuro. Oxidação biológica de sulfeto,estritamente aeróbia.

44 Após um mês de operação dos biorreatores

45 Concentração de H 2 S (mg/l) Remoção biológica de sulfeto de hidrogênio 10,0 9,0 8,0 Afluente Efluente BR1 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0, Período operacional (d)

46 Desafio 4: Recuperação de energia a partir dos subprodutos do tratamento: biogás e lodo

47 Estudo de Caso: ETE Laboreaux Itabira Cenário atual Queima do biogás (flare) Condicionantes Cal + FeCl 3 Filtro Prensa Reator UASB Tanque corta-chama Linha de lodo Linha de biogás Tanque de lodo Leito de secagem Caçamba Aterro Sanitário

48 Potencial energético da ETE PE Total PECH4 PE Lodo PE Lodo P Lodo PCI PE lodo-mj = Potencial energético do lodo (MJ.d -1 ); PCI = Potencial calorífico inferior (MJ.kg -1 ); M lodo = Massa de lodo gerada (kg.d -1 ).

49 Potencial Calorífico Teórico (MJ/kg) Potencial Calorífico Real (MJ/kg) Poder calorífico do lodo 10,0 10,0 9,0 9,0 8,0 8,0 7,0 7,0 6,0 6,0 5,0 5,0 4,0 4,0 3,0 3,0 2,0 2,0 1,0 1,0 0,0 PCS PCI 0,0 PCS PCI

50 Demanda de energia na ETE Laboreaux (kwh.d -1 ) Demanda energética da ETE Laboreaux CDV-1 8 reatores EEE-2 EEE-1 11,5 m Desarenador Calha Parshall Grades 4,8 m 3,9 m 5 m Esquema ilustrativo da localização das EEE-1 e EEE-2 e suas alturas de recalque jan/10 abr/10 jul/10 out/10 jan/11 abr/11 jul/11 out/ MJ.d -1 Período (meses) Demanda de energia da ETE Laboreaux nos anos de 2010 e 2011

51 Balanço de massa e energia para o aproveitamento energético do biogás para a secagem térmico do lodo desidratado Cenário m 3.d MJ.d -1 Perdas = MJ.d -1 Energia útil = MJ.d -1 Filtro Prensa Gases exaustão Reator UASB Tanque de lodo Legenda linha de lodo linha de biogás P E η U i,f purificação do biogás geração de energia térmica eletricidade detalhamento de alternativas Eficiência de conversão Umidade (inicial, final) kg.d -1 U i = 58,7 % MJ.d -1 Evaporação: kg.d -1 Secagem de lodo Câmara de combustão η= 85% P 252 m 3.d MJ.d -1 Motor η= 30% Lodo seco e higienizado 290 m 3.d kg.d -1 U f =10% MJ.d MJ.d -1 Combustível E MJ.d -1 - Biogás para combustão: Secagem (a 10% umidade) e higienização do lodo - Biogás para geração de energia elétrica: MJ/d (40% da demanda da ETE)

52 Balanço de massa e energia para o aproveitamento energético do biogás para a geração de eletricidade seguida de secagem térmico do lodo com os gases de exaustão Cenário m 3.d MJ.d -1 Filtro Prensa P Reator UASB Tanque de lodo Legenda linha de lodo linha de biogás P E η U i,f purificação do biogás geração de energia térmica eletricidade detalhamento de alternativas Eficiência de conversão Umidade (inicial, final) kg.d -1 U i = 58,7 % MJ.d -1 η= 30% MJ.d -1 η= 80% Motor E Gases de exaustão MJ.d -1 Secador Evaporação: 719 kg.d MJ.d kg.d -1 U f = 48,9 % 654 kg.d -1 Uf= 10 % kg.d -1 58,7 % - Biogás para geração de energia elétrica: MJ/d (85% da demanda da ETE) - Secagem térmica do lodo com gases de exaustão: Secagem de todo o lodo a 49% umidade ou parte a 10% umidade

53 Desafio 5: Remoção de amônia em filtros biológicos percoladores pós UASB

54 Configuração esquemática de um FBP

55 Vista aérea de uma ETE com FBP pós-uasb e detalhe do FBP

56 Vantagens de utilização da tecnologia Simplicidade operacional e de manutenção Baixo consumo energético (aeração natural) Menor complexidade em termos de equipamentos Robustez a choques de carga e toxicidade Processo compacto de pós-tratamento (adaptado de VON SPERLING, 2005 ) Principal desvantagem: baixa capacidade de nitrificação

57 Desempenho na remoção de matéria orgânica e sólidos Concentrações de DBO total (mg/l) - efluente UASB e decantadores FBP UASB Escória anel DHS Conduíte Concentrações de SST (mg/l) - efluentes UASB e decantadores FBPs DBO 60 mg/l UASB Escória anel DHS Conduíte SST 60 mg/l Concentrações de DQO total (mg/l) - efluente UASB e decantadores DQO 180 mg/l UASB Escória Anel DHS Conduíte Condições operacionais: Temperatura média: 25 0 C TAS: 20 m³.m -2.d COV 0.43 kgbod.m -3.d -1

58 Desempenho em relação à remoção de amônia Ammonia concentrations (mg/l) UASB Ring B.F.Slag DHS Tubing NH 3 20 mg/l Ammonia concentrations (mg/l) UASB Ring B.F.slag DHS Tubing NH 3 20 mg/l Condições operacionais: Temperatura média: 23 0 C TAS: 10 m³.m -2.d COV 0.38 kgdbo.m -3.d -1 Condições operacionais: Temperatura média: 25 0 C TAS: 10 m³.m -2.d COV 0.24 kgdbo.m -3.d -1

59 Desempenho em relação à remoção de surfactantes 10 8 Surfactants concentrations (mgmbas/l) LAS 10 8 Surfactants concentrations (mgmbas/l) LAS mg/l mg/l 0 Influent B.F.Slag UASB Ring DHS Tubing 0 Influent B.F.slag UASB Ring DHS Tubing Condições operacionais: Temperatura média: 23 0 C TAS: 10 m³.m -2.d COV 0.38 kgdbo.m -3.d -1 Condições operacionais: Temperatura média: 25 0 C TAS: 10 m³.m -2.d COV 0.24 kgdbo.m -3.d -1

60 Resultados de outros sistemas Características Concentrações afluentes Concentrações efluentes COV TAS Temp DBO 5 SST NH 3 DBO 5 SST NH 3 kgdbo/m³.d m³/m².d ºC (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) Referências 0,68 13, , ,8 Frade (2003) 0,68 13, , ,5 Frade (2003) 0,31 13, , ,9 Frade (2003) 0,42 21, , ,4 Aisse (2002) 0,33 32, , ,2 Aisse (2002)

61 Efeito da altura e do tipo de meio suporte Organic matter removal Rotopack 3 4 Ammonia removal UASB reactor 2 1 Final effluent Rotosponge

62 Remoção de DBO mgbod total.l Sewage Rotopack UASB Rotosponge BOD removal (%)

63 Remoção de DQO mgcod total.l Sewage Rotopack UASB Rotosponge COD removal (%) Integration with Trickling Filters

64 Remoção de SST mgtss.l Sewage Rotopack UASB Rotosponge TSS removal (%) Integration with Trickling Filters

65 Efeito da COV e tipo de meio suporte sobre a remoção de nitrogênio OLR (kgcod.m -3.d -1 ) Esg. bruto Concentrações de DBO (mg.l -1 ) d d d Ammonium nitrogen Removal (%) Esg. bruto Concentrações de DQO (mg.l -1 ) RP Rotopack RS Rotosponge NH 4 -N Rem NO x -N prod (mgn.l -1 ) RP Rotopack Remoção de DBO (%) Remoção de DQO (%) RS Rotosponge

66 Considerações Finais Obrigado pela atenção

67 Waste gas from preliminary treatment and pumping station Biogas for micro-aeration Possible alternative for combined management of methane and hydrogen sulfide in medium and large size plants Waste gas from settlers Excess biogas Biogas treatment Exhaust Fuel (biogas) Heat to users Energy recovery unit Fan Compressor Turbine Electricity to plant utility Biofilter Combined biological oxidation of sulfide and methane Dissolved sulfide oxidation in the liquid-based post-treatment system Micro-aeration with oxygen containing biogas