APROVEITAMENTO ENERGÉTICO DO BIOGÁS GERADO EM UMA ETE ANAERÓBIA EM ITAJUBÁ (MG): UMA AVALIAÇÃO TEÓRICA DE POTENCIAL E CUSTOS

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1 APROVEITAMENTO ENERGÉTICO DO BIOGÁS GERADO EM UMA ETE ANAERÓBIA EM ITAJUBÁ (MG): UMA AVALIAÇÃO TEÓRICA DE POTENCIAL E CUSTOS Ivan Felipe Silva dos Santos 1 & Nathália Duarte Braz Vieira 2 * Resumo A produção de energia elétrica é essencial para o desenvolvimento do país. Desta forma, têm se verificado um crescimento na busca por fontes alternativas de energia, em especial aquelas que são naturalmente renováveis. Uma das formas de geração energética de maior discussão nos dias atuais é aquela proveniente do aproveitamento de resíduos. Como em muitos dos casos, o fluxo de resíduos é constante, a geração energética também o será e pode ser considerada uma fonte renovável. Em estações de tratamento de esgoto (ETEs) a geração de energia se dá pela combustão do biogás gerado em meio anaeróbio. Neste contexto, o presente artigo avalia o potencial teórico de geração de biogás, energia, custos de implantação e emissões evitadas em uma estação anaeróbia de tratamento de efluentes para a cidade de Itajubá (MG). Os reatores UASB necessários para a estação também foram dimensionados. Palavras-Chave Energias renováveis, Biogás, Digestão anaeróbia. ENERGY EXPLOITATION OF BIOGAS GENERATED IN A ANAEROBIC WASTEWATER TREATMENT PLANT LOCATED IN ITAJUBÁ-MG: A THEORETICAL EVALUATIN OF POTENTIAL AND COSTS. Abstract The electricity production is essential for country development. In this context, is verified an increasing search for alternatives sources of energy, especially the renewable ones. The main form of energy generation on discussion currently is the one obtained by wastes. As in many cases, the waste production rate is constant so, the energy generation also will be, and could be considered as a renewable energy source. In wastewater treatment plants (WWTP) the energy generation is given by the combustion of the anaerobic methane. In this context, the present work assesses the biogas energy potential and the avoided emissions in an anaerobic WWTP for the city of Itajubá (MG). The UASB Reactor of the anaerobic WWTP also were sized. Keywords Renewable energy, Biogas, Anaerobic digestion. 1 Engenheiro hídrico e mestrando em engenharia de energia pela UNIFEI - ivanfelipedeice@hotmail.com. 2 * Engenheira ambiental (UFOP MG) e mestranda em engenharia de energia pela UNIFEI- nathaliadbv@unifei.edu.br. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 1 - INTRODUÇÃO Nuvolari (2003) argumenta que a técnica de tratamento de esgoto escolhida varia com as características da cidade em questão, tais como, clima, topografia, Nível de poluição do efluente, preço dos terrenos, etc. Dentre as formas mais utilizadas de tratamentos de esgotos em cidades estão os sistemas de lodos ativados e os sistemas através de reatores anaeróbios. De acordo com Von Sperling (2002) os sistemas de lodos ativados são os sistemas mais utilizados nas grandes estações de tratamento de esgotos (ETEs) em situações que são necessários uma elevada qualidade dos efluentes e reduzidos requisitos de área. O aproveitamento de biogás nos sistemas de lodo ativado se dá na digestão anaeróbica do lodo resultante do processo. Já no caso de utilização dos reatores anaeróbicos pra o tratamento de efluentes, dentre os reatores produtores de biogás se destacam os reatores anaeróbicos de fluxo ascendente (Reatores UASB). Nestes o tratamento de esgoto se dá em fase com o tratamento de esgoto. Estes reatores, além de possuir simplicidade construtiva e baixo custo operacional são capazes de suportar altas cargas orgânicas e produzir como subproduto o biogás, composto rico em metano - CH 4 (Campos, 1999). A figura 1 apresenta as formas mais comuns dos reatores UASB. Figura 1 - Reatores UASB. Fonte: Fernandes (S/d) De acordo com Salomon e Lora (2008) o potencial energético do biogás é em função da sua quantidade de metano, que determina o seu poder calorífico. Qasin (1999 apud Nuvolari, 2003) afirmou que o biogás tem um poder calorífico de a KJ/m³, sendo que o metano puro possui poder calorífico de KJ/m³ e o gás natural cerca de KJ/m³. A conversão energética do biogás pode ser feita por meio de diversas tecnologias. Coelho et al. (2006) afirmou que os motores de combustão interna do tipo "Ciclo - Otto" e as turbinas a gás são as tecnologias mais utilizadas para conversão energética do biogás. O presente artigo objetiva dimensionar um sistema de tratamento anaeróbio funcionando a partir de reatores UASBs para a cidade de Itajubá (MG) e avaliar o potencial energético disponível neste sistema quando se considera a combustão do biogás em motores de combustão interna. 2 METODOLOGIA 2.1 Projeção Populacional Para se dimensionar os reatores UASB e avaliar o potencial energético do mesmo é necessária à realização de uma projeção populacional. O modelo escolhido no presente trabalho foi o modelo logístico de crescimento. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 Inicialmente apresentado por Verhust, e posteriormente aplicado, de diversas formas, por diversos autores, tais como Qasin (1999), Barros (2012), etc. Este modelo assume que o crescimento populacional P segue uma relação matemática logística (Curva em S). Este método assume uma constante de saturação K s, que deve ser calculada (Equação 2). Como no caso anterior, permanece a restrição que deve ser respeitada: P1² POP2. A previsão da população (equação 1) pode ser calculada após o cálculo das constantes a e c (Equações 3 e 4) (QUASIN,1999). (1) (2) (3) (4) 2.2 Dimensionamento do reator UASB O dimensionamento dos reatores UASB são realizados por meio da vazão de esgoto máxima (Equação 5), vazão esta que quando multiplicada pelo tempo de decantação hidráulica nos reatores permite a obtenção do volume total de reatores (Equação 6). Por meio da reação deste volume total com a altura de cada reator pode-se calcular então a área necessária para implantação do sistema (Equação 7). (5) (6) (7) Onde: Q = quota per capita = 0,17 [m³/hb.dia] (CHERNICHARO, 2005), P = população da cidade no ultimo ano de funcionamento da ETE, a saber, 2035, Qmáx = Vazão máxima de esgoto, C = Coeficiente de retorno = 0,8 (NBR 9649); k1, k2 = coeficientes iguais respectivamente a 1,2 e 1,5 (NBR 9649); V = volume total dos reatores, H = altura dos reatores calculada por meio do produto entre o tempo de detenção e a velocidade máxima no reator, 0,7 [m/hr], TDH = tempo de detenção hidráulica = adotado como sendo 7 horas e A = área dos reatores. 2.3 Produção de biogás e cálculos energéticos A vazão de metano foi calculada pela equação 8, apresentada por Chernicharo (2005), baseada na redução da concentração de DQO no efluente, que é convertida em metano. O fator f(t) pode ser calculado pela equação 9, obtida também em Chernicharo (2005). Posteriormente foram calculadas enfim, a potência e energia passíveis de serem geradas pela combustão do metano gerado pelas equações 10 e 11. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 População (8) (9) Onde: Q CH4 = Vazão de metano, Q e = vazão média de esgoto, S0 = Concentração de DQO afluente, S = Concentração de DQO efluente, Y = coeficiente de produção de sólidos, f (T) = fator de correção de temperatura, P = pressão atmosférica = 1 [atm], K e R = constantes referentes a DQO de 1 mol de CH 4 (64 gdqo/mol) e a constante universal dos gases = 0,08206 [atm.l/mol.k]), P = potência disponível, η = rendimento da tecnologia da conversão energética, PCI = poder calorífico do metano = 35,5 [MJ/m³], E = Energia gerada anualmente e p = número de horas anuais de funcionamento = RESULTADOS: A tabela 1 apresenta os dados históricos de população da cidade de Itajubá (MG) (IBGE, 2015). Estes foram utilizados a fim de realizar a projeção populacional da cidade (Figura 2). De dos valores de população pode-se realizar o dimensionamento dos reatores UASB para o tratamento anaeróbico do esgoto (Equações 5-7). Os resultados obtidos estão apresentados na tabela 2. Tabela 1 - Histórico populacional da cidade de Itajubá (MG). Fonte: IBGE (2015) Ano Itajubá (10) (11) Projeção Histórico Tempo [Anos] Figura 2 - Projeção Populacional XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 Tabela 2: Resultados obtidos no dimensionamento do UASB Parâmetro Valor Vazão máxima de esgoto Qmáx 1262 [m³/hr] Volume total dos reatores 8,9 [1000 m³] Altura dos reatores 4,9 [m] Área dos reatores 1,8 [1000 m²] Dimensão de cada reator 15 X 15 X 4,9 Número de reatores 7 Por fim, pode-se estimar o potencial de produção de metano e potência disponível, pela combustão do metano em motores de combustão interna (η = 0,33), a cada ano por meio das equações Os resultados obtidos estão apresentados na tabela 3. Tabela 3: Vazão de metano e potência disponível a cada ano. Ano Q [m³ CH 4 ] P [kw] ,20 218, ,87 219, ,32 220, ,48 221, ,28 221, ,59 222, ,26 223, ,07 224, ,75 225, ,94 226, ,24 226, ,14 227, ,06 228, ,34 228, ,21 229, ,82 229, ,23 230, ,40 230, ,20 231, ,40 231, ,68 232,12 XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 Pela análise da tabela 4 pode-se observar que o aproveitamento de uma potência de 210 [kw] estaria disponível em todos os 20 anos do aproveitamento. A implantação desta potência resulta em uma produção energética de 1,72 [GWh/ano]. Utilizando este valor de energia e sabendo-se que energia produzida pela combustão do metano (Um gás biogênico que pode ser considerado limpo) substituirá o consumo energético da eletricidade da rede pode se calcular as emissões de CO 2 evitadas por tal sistema. Para tal foi necessário o uso do fator de emissão de eletricidade nacional, próximo a 0,12 [tco 2 /MWh] (BEN, 2014). As emissões evitadas resultantes foram de 207 [tco 2 /ano]. Uma usina para combustão do biogás em uma ETE anaeróbia deve compreender: Compressores (Para bombeamento do gás), tubulações (Para transporte do gás), Queimadores (Para queima do biogás que não será usado para geração energética) e Motores para combustão do biogás com geração de energia elétrica. Santos et al. (2014) desenvolveu uma estimativa que incorpora o custo de todos estes componentes em função somente da potência instalada no aproveitamento (Equação 12). Por meio desta pode-se estimar o investimento necessário para a implantação da usina para aproveitamento energético do biogás na ETE anaeróbia de Itajubá (MG), a saber, igual a: 1,5 milhões de reais, o que equivale a 7060 [R$/kW]. (12) 4 - CONCLUSÕES A geração de energia em estações de tratamento de esgotos é um tema amplamente discutido atualmente, sendo, contudo rara sua aplicação no Brasil. Com o objetivo de fomentar a discussão sobre este tipo de aproveitamento, o presente artigo apresenta o dimensionamento de reatores UASB para o tratamento de esgoto em Itajubá (MG), bem como, avalia o potencial de produção de biogás, energia e conseguintemente, emissões evitadas na cidade de Itajubá. O potencial energético do aproveitamento de biogás está próximo a 1,72 [GWh/ano], mesma energia produzida anualmente por uma Mini Central Hidrelétrica de 360 [kw] com um fator de capacidade de 60%. As emissões evitadas estão próximas a 207 [tco 2 /ano], uma redução per capita de 2,07 [kgco 2 /ano] das emissões da cidade. O investimento e o custo unitário do aproveitamento foram estimados em aproximadamente: 1,5 milhões de reais e 7060 [R$/kW]. Conclui-se então que a geração de energia por meio do biogás em ETEs constitui uma interessante forma de aproveitamento, com potencial de diminuição de emissões de CO 2 localizadas em uma cidade, possuindo, contudo, elevado custo unitário. REFERÊNCIAS BARROS, R.M. Tratado sobre resíduos sólidos: gestão, uso e sustentabilidade. Rio de Janeiro: Interciência; Minas Gerais: Acta, p. BEN. Balanço Energético Nacional, Disponível em < Acesso: 10/05/ CAMPOS. J. R. (Coord.) Tratamento de esgotos sanitários por processo anaeróbio e disposição controlada no solo. Rio de Janeiro: ABES, p. Projeto PROSAB. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 CETESB - ENVIRONMENTAL COMPANY OF SÃO PAULO STATE. Biogas generation and use of energy- effluents and rural residue, version 1.0 / CETESB, Department of Environment, The Brazilian Ministry of Science and Technology. São Paulo, CHERNICARO, C.A. L. Princípios do Tratamento Biológico de Águas Residuárias Reatores Anaeróbios, Belo Horizonte: Editora da UFMG, COELHO, T., S. et al. Geração de energia elétrica a partir do biogás proveniente do tratamento de esgoto. Encontro de Energia no Meio Rural - Agrener, GARCILASSO, V., P. E VESCOVO, E. Geração de energia elétrica a partir de biogás proveniente do tratamento de esgoto utilizando microturbina a gás. Apresentação realizada no 4º Congresso de Cogeração de Energia, São Paulo (SP), Disponível em: < f>. Acesso em: 31 mai. 2013, 14:47. FERNANDES, C. Reatores UASB. Universidade Federal de Campina Grande. Disponível em < Acesso: 12/05/2015. NBR Projeto de Redes de esgotos. Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). NUVOLARI, A. Esgoto sanitário: coleta, transporte, tratamento e reúso agrícola. Capítulo 9. São Paulo: Edgard Blücher, PECORA, V. Implantação de uma Unidade Demonstrativa de Geração de Energia Elétrica a partir do Biogás de Tratamento do Esgoto Residencial da USP Estudo de Caso p. Dissertação de Mestrado Programa Interunidades de Pós-Graduação em Energia da Universidade de São Paulo - PIPGE. QASIN, S., R. Wastewater Treatment Plants Planninng design and operation.2.a ed. Lancaster, Pennsylvania, USA Technomic Publishing Company, 1999, 1107 p. SALOMON, K., R. LORA, E. E. S Estimate of the electric energy generating potential for different sources of biogas in Brazil. Biomass e Bioenergy, v. 33, p Elsevier, SANTOS, I. F. S, et al. Um Estudo dos custos de implantação de Empreendimentos de aproveitamento energético do biogás de Estações de tratamento de Esgoto. Revista Brasileira de Energia, V. 21, Nº 2, VON SPERLING, M. Lodos Ativados. Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental. Universidade Federal de Minas Gerais, 2º ed., 2002, 428 p. WBDG. Whole Building Design Guide. Microturbines, U.S.A. National Institute of Building Sciences. Disponível em: < Acesso: 06/02/2014. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7