ICTR 2004 CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Costão do Santinho Florianópolis Santa Catarina

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1 ICTR 2004 CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Costão do Santinho Florianópolis Santa Catarina PROGRAMA DE USO RACIONAL DE ENERGIA E FONTES ALTERNATIVAS - PUREFA Suani Teixeira Coelho Silvia Maria Stortini Gonzalez Velázquez Orlando Cristiano da Silva Américo Varkulya Jr. Vanessa Pecora PRÓXIMA Realização: ICTR Instituto de Ciência e Tecnologia em Resíduos e Desenvolvimento Sustentável NISAM - USP Núcleo de Informações em Saúde Ambiental da USP

2 PROGRAMA DE USO RACIONAL DE ENERGIA E FONTES ALTERNATIVAS PUREFA Profª. Drª. Suani Teixeira Coelho 2 M. Sc. Silvia Maria Stortini Gonzalez Velázquez 3 M. Sc. Orlando Cristiano da Silva 4 Américo Varkulya Jr. 5 Engª. Vanessa Pecora 6 Resumo O PUREFA (Programa de Uso Racional de Energia e Fontes Alternativas) é um projeto da USP (Universidade de São Paulo), apoiado financeiramente pela FINEP (Financiadora de Estudos e Projetos) em parceria com o CENBIO (Centro Nacional de Referência em Biomassa) e a Escola Politécnica por meio do CTH (Centro Tecnológico de Hidráulica) em um edital voltado à infra-estrutura (CT-INFRA). O projeto possui três objetivos principais: implantar medidas de gestão e ação de eficiência energética permitindo reduzir o consumo de energia elétrica na Universidade; ampliar a geração distribuída na USP a partir de recursos renováveis e não convencionais de energia e implantar políticas de incentivo ao uso eficiente e racional de energia. Entre as 14 metas integrantes deste projeto, o CENBIO, comprometeu-se em realizar as metas 11 e 12. As atividades da meta 11, ainda em fase de execução, incluem a implementação de um sistema de captação, purificação e armazenamento do biogás gerado por um biodigestor modelo UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), localizado no CTH, no campus da capital da USP. A meta 12 se refere à geração de energia elétrica utilizando o biogás armazenado como combustível em um motor ciclo Otto. Com o desenvolvimento deste projeto, tem-se a perspectiva de fornecer subsídios para que a análise de viabilidade de projetos desta natureza seja realizada, o que pode ser considerado bastante relevante, pois concilia o tratamento de água, recurso cuja disponibilidade tem sido alvo de uma crescente preocupação mundial e a geração de energia elétrica. Palavras Chaves: biodigestão, biogás, eletricidade. 2 CENBIO Centro Nacional de Referência em Biomassa/IEE/USP, Prof. Dr, suani@iee.usp.br 3 CENBIO Centro Nacional de Referência em Biomassa/IEE/USP, M. Sc., sgvelaz@iee.usp.br 4 CENBIO Centro Nacional de Referência em Biomassa/IEE/USP, M. Sc., gbntumbo@iee.usp.br 5 CENBIO Centro Nacional de Referência em Biomassa/IEE/USP, M. Sc., américo@iee.usp.br 6 CENBIO Centro Nacional de Referência em Biomassa/IEE/USP, Eng., vpecora@iee.usp.br 705

3 1. Introdução O aproveitamento do biogás para geração de energia elétrica ocasiona uma redução no potencial de poluição do meio ambiente, pois a sua composição apresenta uma acentuada concentração de gás metano (CH 4 ), sendo cerca de 25 vezes superior ao dióxido de carbono (CO 2 ), no que se refere ao efeito estufa. Para que o biogás possa ser utilizado como combustível, tanto em motores, como em 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 H 2 S (ácido sulfídrico) e da umidade, a fim de evitar danos aos equipamentos da instalação. O biodigestor utilizado no projeto em questão (figura 1) opera 24 horas por dia e sua produção estimada de biogás corresponde a 5,3 m 3 por dia, considerando-se uma vazão de esgoto de 3 m 3 por hora, proveniente do CRUSP (Conjunto Residencial da USP). Atualmente, este equipamento é empregado somente para pesquisas referentes ao pré e pós-tratamento do efluente (esgoto). O biogás gerado é emitido para a atmosfera sem ser tratado nem aproveitado. Figura 1: Biodigestor modelo UASB, localizado no CTH (CENBIO, 2003). Dessa forma, o presente trabalho mostrará uma descrição do sistema de tratamento de esgoto, bem como o processo de formação do biogás. Posteriormente, serão apresentados e discutidos os resultados provenientes das análises da composição química do biogás e da análise do esgoto. 2. Materiais e Métodos Os componentes mais importantes do biogás são o metano (CH 4 ), dióxido de carbono (CO 2 ) e gás sulfídrico (H 2 S). Esses componentes são determinados através da análise físico-química do biogás e dependem de alguns parâmetros, como o modelo do biodigestor utilizado e o tipo de material orgânico a ser tratado. 706

4 Por esta razão, este item aborda o sistema de tratamento de esgoto empregado neste projeto, bem como uma breve descrição sobre as etapas de formação do biogás. 2.1 Sistema De Pré-Tratamento Do Efluente Líquido O CTH desenvolveu todo o sistema preliminar de tratamento de efluentes residenciais para estudo de alunos de mestrado e doutorado. O efluente utilizado neste sistema é proveniente do CRUSP e também do refeitório de onde é bombeado até o CTH e sofre tratamento conforme descrição. O esgoto a ser tratado passa por dois estágios de separação de sólidos, trazidos durante o transporte do efluente, desde o CRUSP até a unidade de tratamento onde está localizado o biodigestor. No primeiro estágio desta separação, o esgoto é encaminhado a uma peneira de gradeamento, onde uma parte dos sólidos é retida. Em seguida, o efluente passa por uma caixa de areia, equipada com drenos laterais, por onde o material retido é descartado. O próximo estágio deste pré-tratamento compreende a medição da vazão do efluente, por meio de uma Calha Parshall, sendo então armazenado numa caixa de acúmulo e bombeado até o biodigestor. Entre o espaço percorrido pelo efluente após seu bombeamento e a secção de entrada no biodigestor, encontra-se ainda um outro sistema de medição de vazão, mostrado na figura 1, que determina a vazão real de efluente admitida no biodigestor. Esta etapa, conforme será abordado nos itens subseqüentes deste trabalho, possivelmente interfere na composição o biogás gerado. Entre o espaço percorrido pelo efluente após seu bombeamento e a secção de entrada no biodigestor, encontra-se ainda um outro sistema de medição de vazão, mostrado na figura 2, que determina a vazão real de efluente admitida no biodigestor. Esta etapa, conforme será abordado nos itens subseqüentes deste trabalho, possivelmente interfere na composição o biogás gerado. Figura 2: Medidor de vazão (CENBIO, 2003). 707

5 2.2 Descrição do Processo de Biodigestão A palavra biodigestão é derivada da palavra grega Bios, que significa vida, e da palavra latina Digestione, que significa digestão ou decomposição, ou ainda, transformação de matérias não assimiláveis, por outras assimiláveis pelos seres vivos. Cientificamente, biodigestão, é um processo de degradação, transformação ou decomposição de substâncias vegetais e/ou animais (conhecidas por matéria orgânica), levado a efeito por seres vivos, como o homem, ou mesmo por microorganismos ou bactérias. O biogás trata-se de uma mistura gasosa combustível, resultante da fermentação anaeróbia de matéria orgânica, que consiste no lodo, no caso de sistemas de tratamento de esgoto. Segundo JORDÃO e PESSOA (1995), o lodo é um sub-produto sólido, gerado no tratamento dos esgotos (junto com sólidos grosseiros, areia e escuma), representando a maior parcelas entre todos eles, sendo o substrato que deve receber maior importância em relação a seu tratamento, chamado tratamento da fase sólida, também incluindo sua disposição final. A proporção de cada gás na mistura depende de vários parâmetros, como o tipo de digestor e o substrato (matéria orgânica a digerir). De qualquer forma, esta mistura é essencialmente constituída por metano (CH 4 ) e dióxido de carbono (CO 2 ), estando o seu poder calorífico diretamente relacionado com a quantidade de metano existente na mistura gasosa. A formação do biogás envolve, basicamente, três etapas, sendo elas a fermentação, a acetogênese e a metanogênese. O processo de fermentação envolve ainda outras duas etapas, a hidrólise e a acidogênese. A primeira converte a matéria orgânica em moléculas menores pela ação de bactérias hidrolíticas, que transformam proteínas em peptídeos e aminoácidos, polissacarídeos em monossacarídeos, gorduras em ácidos graxos, pela ação de enzimas extracelulares, como a protease, a amilase e a lipase. Em seguida, durante a acidogênese, as bactérias fermentativas transformam esses produtos em ácidos solúveis (ácido propiônico, butírico e fórmico, por exemplo), álcoois e outros compostos. Também atuam as chamadas bactérias do ácido fórmico que degradam as moléculas orgânicas solúveis em dióxido de carbono (CO 2 ), gás hidrogênio (H 2 ) e ácido acético (CH 3 COOH) que serão utilizados pelas bactérias metanogênicas na última etapa do processo de formação de metano. Uma vez encerrada a fermentação tem início a acetogênese, etapa onde atuam bactérias facultativas, capazes de agir, tanto em meio aeróbio, quanto anaeróbio. O oxigênio necessário para efetuar essas transformações é retirado dos compostos que constituem o material orgânico, não necessitando estar no ar. As bactérias acetogênicas transformam os produtos obtidos na primeira etapa (ácido propiônico e butírico, por exemplo) em ácido acético (CH 3 COOH), hidrogênio (H 2 ) e dióxido de carbono (CO 2 ). A última etapa na produção do biogás, a metanogênese, é a formação de metano, onde atuam obrigatoriamente bactérias anaeróbias e extremamente sensíveis a mudanças no meio, como temperatura e ph. As bactérias metanogênicas transformam o hidrogênio (H 2 ), o dióxido de carbono (CO 2 ) e o ácido 708

6 acético (CH 3 COOH), obtidos tanto na etapa fermentativa quanto na etapa acetogênica, em metano (CH 4 ) e dióxido de carbono (CO 2 ). 3. Resultados 3.1 Resultado das Análises do Biogás Determinar a composição química do biogás é essencial para que possa ser estimado o potencial de geração de eletricidade. Para isso, foi solicitada à COMGÁS a realização de duas análises até a presente data, sendo o resultado da primeira apresentado na tabela 1. Tabela 1 Resultado da 1ª análise físico-química do biogás. Compostos Químicos %Vol do %Vol da 1ª análise biogás em do biogás geral H2 (Hidrogênio) 0,000% 1 a 2% O2 (Oxigênio) 0,00236% 0.1 a 1% N2 (Nitrogênio) 15,08615% 0.5 a 2.5% CO2 (Dióxido de Carbono) 6,12158% 25 a 40% CH4 (Metano) 78,77848% 50 a 80% NC4 (n-butano) 0,00253% IC5 (iso pentano) 0,00015% NC5 (n-pentano) 0,00025% C6+ (hexano e superiores) 0,00020% H2S (Sulfeto de Hidrog.) 0,0083% 1 a 2% Soma 100,000% 100% Fonte: COMGÁS, Verificando o resultado da 1ª análise e comparando-o com a composição geral do biogás, observamos que houve uma contaminação na amostra coletada, pois alguns valores encontram-se fora do padrão, como é o caso das concentrações de nitrogênio (N 2 ), hidrogênio (H 2 ) e dióxido de carbono (CO 2 ). Além disso, também foi detectada a presença de hidrocarbonetos, que não fazem parte da composição do biogás, tais como n-butano, iso-pentano, n-pentano, hexano e superiores. Por esta razão, uma nova análise foi solicitada. Porém, antes da realização da segunda análise algumas modificações foram efetuadas no biodigestor. Visando garantir a desobstrução da passagem do biogás gerado, foi realizada uma limpeza do equipamento. Os vazamentos detectados foram eliminados através da instalação de uma peça, que além da vedação também proporcionou um alongamento na secção de captação do biogás gerado. Esta medida confere maior segurança para os equipamentos do sistema de geração de eletricidade a serem instalados, pois evita que a escuma, resíduo gerado no processo de biodigestão, seja transportada para a tubulação de gás, impedindo possíveis entupimentos. 709

7 Após a implementação destas medidas foi realizada a segunda análise da composição do biogás, cujos resultados são apresentados na tabela 2. Tabela 2 Resultado da 2ª análise físico-química do biogás. Compostos Químicos %Vol do %Vol da 1ª análise biogás em do biogás geral H2 (Hidrogênio) 0,000% 1 a 2% O2 (Oxigênio) 0,068% 0.1 a 1% N2 (Nitrogênio) 44,988% 0.5 a 2.5% CO2 (Dióxido de Carbono) 3,308% 25 a 40% CH4 (Metano) 51,636% 50 a 80% NC4 (n-butano) 0,000% IC5 (iso pentano) 0,000% NC5 (n-pentano) 0,000% C6+ (hexano e superiores) 0,000% H2S (Sulfeto de Hidrog.) 0,000% 1 a 2% Soma 100,000% 100% Fonte: COMGÁS, Comparando novamente o resultado da segunda análise com a composição geral do biogás, observamos que, ainda assim, com a nova estrutura instalada na saída do biogás e com a limpeza do biodigestor, houve contaminação na amostra coletada. Por esta razão, o biodigestor passou por uma avaliação de operação, quando foi identificada uma possível razão da contaminação, durante a passagem do efluente pelo segundo sistema de medição da vazão, o contato com o ar provoca o arraste de nitrogênio, o que aumenta a participação deste componente no biogás, conforme se verifica nas as tabelas 1 e 2. Para sanar este problema, esse medidor de vazão será substituído por um hidrômetro. 3.2 Resultados das Análises do Efluente Determinar os parâmetros do efluente antes e após seu tratamento no biodigestor é essencial para que possa ser estimada a produção diária de biogás através dos valores da DBO (Demanda Bioquímica de Oxigênio). Para isso, foi solicitado à Ambiental Laboratório e Equipamentos Ltda. as análises do efluente líquido (esgoto), cujos resultados são apresentados nas tabelas 3 e

8 Tabela 3 Resultado da análise do efluente antes de seu tratamento no biodigestor. Parâmetros Expresso Como Resultado Alcalinidade Total (mg/l) CaCO DBO (mg/l) O DQO (mg/l) O 2 1,02 X 10 3 Gás Carbônico (mg/l) CO 2 > 100 ph a 25 ºC (-) - 6,15 Sólidos Totais (mg/l) - 1,13 X 10 3 Sólidos Totais Fixos (mg/l) Sólidos Totais Voláteis (mg/l) Sólidos Dissolvidos Totais (mg/l) Sólidos Dissolvidos Fixos (mg/l) Sólidos Dissolvidos Voláteis (mg/l) Sulfeto (mg/l) S 3,0 Fonte: Ambiental Laboratório e Equipamentos Ltda. Tabela 4 Resultado da análise do efluente após seu tratamento no biodigestor. Parâmetros Expresso Como Resultado Alcalinidade Total (mg/l) CaCO DBO (mg/l) O 2 59 DQO (mg/l) O Gás Carbônico (mg/l) CO 2 65 ph a 25 ºC (-) - 6,84 Sólidos Totais (mg/l) Sólidos Totais Fixos (mg/l) Sólidos Totais Voláteis (mg/l) Sólidos Dissolvidos Totais (mg/l) Sólidos Dissolvidos Fixos (mg/l) Sólidos Dissolvidos Voláteis (mg/l) - 15 Sulfeto (mg/l) S 7,0 Fonte: Ambiental Laboratório e Equipamentos Ltda. A partir dos dados obtidos nas análises, foi possível calcular a vazão estimada de produção diária de biogás, resultando em 5,3 m 3 /dia de biogás. Essas análises serão realizadas durante toda execução do projeto. 3.3 Próximas Etapas Os equipamentos a serem instalados no projeto, incluindo o sistema de captação, purificação e armazenamento do biogás já estão definidos, restando dimensioná-los de acordo com a vazão real do biogás, sendo que, para isso, já foi adquirido equipamento necessário, restando apenas sua instalação. 711

9 A figura 3 ilustra os equipamentos que farão parte do sistema de aproveitamento do biogás como combustível para geração de energia elétrica, cuja identificação encontra-se na tabela Figura 3 Fluxograma da instalação dos equipamentos (CENBIO, 2003). Tabela 5 Descrição dos equipamentos da instalação. Equipamento Número Quantidade Hidrômetro 1 1 Biodigestor 2 1 Tubulação 3 1 Válvula de segurança 4 1 Ponto de coleta do biogás 5 2 Sensor de temperatura 6 1 Medidor de pressão 7 1 Medidor de vazão 8 2 Purificador do biogás 9 1 Válvula esfera 10 2 Gasômetro 11 1 Grupo motor-gerador

10 Fonte: CENBIO, Conclusão O cumprimento do objetivo estabelecido pelo PUREFA em incrementar a participação de fontes alternativas de energia na matriz energética da Universidade de São Paulo, além de reafirmar seu papel no planejamento energético da Universidade, também permite que sejam direcionadas políticas, visando incrementá-las na Matriz Energética Nacional. A produção de energia elétrica a partir de tratamento de efluentes apresenta-se como uma alternativa ambientalmente viável, porque se vale de um gás combustível, o metano, que não é utilizado como tal e que hoje é normalmente lançado na atmosfera, contribuindo para o aumento do efeito estufa. As tecnologias de conversão, todavia, ainda são muito caras, dificultando a viabilidade econômica. O biogás pode ser utilizado como combustível tanto em unidades de tratamento anaeróbio de efluentes, como em aterros sanitários, apresentando diferentes perspectivas para cada um desses segmentos. No primeiro caso, este insumo pode contribuir sensivelmente para a diminuição do consumo de eletricidade em unidades de tratamento de efluentes, otimizando o uso dos recursos naturais, dada a estreita relação existente entre a geração de eletricidade e os recursos hídricos nacionais. Vale ressaltar, porém, que o volume de biogás gerado no tratamento anaeróbio não permite a auto-suficiência. 5. Referências Bibliográficas ALVES, J.W.S. Diagnóstico Técnico Institucional da Recuperação e Uso Energético do Biogás Gerado pela Digestão Anaeróbia de Resíduos. Dissertação de Mestrado, PIPGE/USP, AMBIENTAL LABORATÓRIO E EQUIPAMENTOS LTDA. Certificado de Análise do Efluente. Relatório de Ensaio, São Paulo, CENBIO Biodigestor Modelo UASB. Relatório de Acompanhamento, São Paulo, Setembro de CENBIO Fluxograma do Processo de Instalação dos Equipamentos do Projeto PUREFA. Relatório de acompanhamento, São Paulo, Setembro de CENBIO/SABESP Geração de Energia Elétrica a partir de Biogás de Tratamento de Esgoto. Primeiro relatório técnico, São Paulo, Abril de CETESB Inventário Brasileiro de Gás Metano Gerado por Resíduos. Relatório dos Bancos de Dados de Resíduos Sólidos e Efluentes Líquidos, São Paulo, Setembro de

11 CONGAS Certificado da Análise do Biogás. Relatório de Ensaio, São Paulo, JORDÃO, E. P. et PESSOA, C. A. Tratamento de Esgotos Domésticos. Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental, 3 ed., Rio de Janeiro, OLIVA, L. C. H. V. Tratamento de Esgotos Sanitários com Reator Anaeróbio de Manta de Lodo (UASB). Protótipo: Desempenho e Respostas Dinâmicas às Sobrecargas Hidráulicas, São Carlos, Tese de Doutorado em Hidráulica e Saneamento, Escola de Engenharia de São Carlos, USP, Abstract The PUREFA (Program of Rational Energy Use and Alternative Sources), compound by 14 purposes, is about a project of the USP University of Sao Paulo, financial backer FINEP Financier of Studies and Projects. This project has three main objectives: to implant measures of management and action of energy efficiency, to increase the distributed generation in the USP from the renewable resource and nots conventional of energy and to introduce incentive permanent politics to the efficient and rational of the energy. In the context, the Brazilian Reference Center on Biomass is responsible for two purposes, related to the biogas use for electricity generation. The first, purpose 11, has main object to implant the generation system, to capture and to stock the biogas, produced by biodigestor in the Technological Hydraulically Center (CTH USP). The biodigestor is of type UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), whose outflow of the biogas produce is near 4 m3/day, opera rates 24 hours per day and utilize the sewer from the residential buil dings located in Sao Paulo University, inside the campus. Nowadays, this eqpment is use for researches of the biogas treatment, the biogas emitted for atmosphere. So biogas can be use is necessary to identify your outflow, chemical composition e heat value, parameters that will allow to determinate the real potential for generation and to show the necessity of the before treatment, as H2S removal. Finished this stage, will be start the purpose 12, regarding biogas use as fuel for electricity generation. 714